收藏本站
《中国科学技术大学》 2007年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

格子Boltzmann方法及其在流体动力学上的一些应用

段雅丽  
【摘要】: 近年来,格子Boltzmann方法(LBM)已发展为一种模拟流体和物理问题的新颖的、有前景的数值方法。它是由McNamara和Zanetti于1988年首次提出,并用于流体力学数值模拟。从历史上看,该方法是由格子气自动机(Lattice Gas Automata,LGA)继承和发展而来。它既可看作是LGA的推广,又可看作是连续Boltzmann方程的一个特殊离散格式。传统的计算流体力学方法是对宏观连续性方程的离散,而LBM是基于统计物理,并以极其简单的形式描述粒子的微观行为,但在宏观层次上正确反映流体的运动。由于它计算简单、本质并行和易于处理边界的优点,使得LBM在这十几年里,在许多领域的各种数值问题求解上取得很大的成功。尤其对复杂边界和复杂流场,如:湍流、多相流、多孔多介质流、化学反应流、燃烧等问题的成功模拟,为我们展示了广阔的应用前景,为计算流体力学的数值模拟开辟了一条革命性的道路。 本文围绕格子Boltzmann方法展开讨论,首先简要介绍了方法的历史,基本思想和特点,以及应用前景。同时也表明了这样一个观点,即LBM是与传统方法完全不同的一种新颖独特的方法。进而阐述方法的统计机理和基本模型,比较详细地介绍了LBM与LGA,和连续Boltzmann方程的之间的关系。尤其着重介绍最常用的、最经典的、最简单的模型-BGK格子Boltzmann模型。LBM正是通过解此微观动力学模型,获得宏观方程各物理量所描述的流体特性。其中主要分析工具—Chapman-Enskog展开或多尺度分析,就是联系微观方程与宏观方程的桥梁。 LBM作为非传统数值方法,由于还没有对其进行传统的、系统的分析研究,理论发展不是很完善,本文就方法的稳定性、相容性和渐进性,简要介绍了LBM理论的一些最新成果。边界处理在格子Boltzmann方法中起重要的作用,对方法的精度和稳定性都有很大的影响。LBM是通过粒子分布函数的动力学方程来描述流体的运动,边界上的分布函数是不知道的,因此,需要构造一定的格式从微观角度给出边界条件。所以本文就LBM介绍了几种常有的边界处理方法,如反弹格式、动力学格式、外推格式及复杂边界处理方法等。 本文的主要工作有以下几点:对LBM进行比较全面的综述和客观评析;针对计算流体力学上一类重要的模型方程—非线性发展方程,如修正的Burgers’方程、二维Burgers’方程和红绿灯交通流模型,提出相应的格子Boltzmann模型,2-bit和D2Q4模型,用数值试验说明了LBM在处理大梯度或多间断问题的有效性;就这两个模型,分别进行多尺度分析,通过极值原理证明格式的稳定性;对一维反应-扩散方程组用3-bit模型,二维的尤其是形成图灵斑图的CIMA模型用D2Q5模型,分别进行数值模拟,数值结果说明了LBM模拟非线性复杂系统的高效、稳定性;对不可压流和自由面问题,如腔体流(方腔和三角腔)、溃坝流(方溃坝和圆溃坝)、溃坝波的传播、反射和绕射、后台阶和喷射流等,进行了成功模拟,进一步说明了LBM是计算流体动力学中强有力的、高效的数值计算工具。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O351.2

手机知网App
【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 张东辉;芮孝芳;马哲树;孔祥雷;;土壤下渗问题的格子玻尔兹曼模拟[J];河海大学学报(自然科学版);2010年06期
2 张东辉;刘方贵;张金存;芮孝芳;;应用于非线性热传导方程的格子玻尔兹曼方法[J];计算物理;2010年05期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 刘芳;格子Boltzmann方法求解偏微分方程的相关研究[D];吉林大学;2011年
2 武芳芳;用格子Boltzmann方法求解一类变系数偏微分方程[D];吉林大学;2012年
3 罗金辉;煤层气运移LBM模型与井间干扰模拟研究[D];中国矿业大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 季晨振;基于可压缩格子Boltzmann方法的有限体积法研究与应用[D];南京航空航天大学;2009年
2 胡学羽;竖直及倾斜管内低温气液两相流泡—弹状流转变的实验及数值模拟研究[D];上海交通大学;2012年
3 刘玉龙;用格子Boltzmann方法模拟含动边界的流体流动[D];吉林大学;2008年
4 马明;地下矿巷道火灾风流紊乱现象仿真方法研究[D];西安建筑科技大学;2010年
5 秦道洋;纳米流体强化换热及流动特性的LBM模拟[D];大连理工大学;2012年
6 王佳;热对流的格子Boltzmann模拟研究[D];中国气象科学研究院;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 康红文,柳崇健,徐祥德;一维无迭代自适应网格技术在Burgers方程中的应用[J];计算物理;2002年06期
2 阎广武,阎广武;用格子Boltzmann方法研究Burgers方程[J];力学学报;1999年02期
3 王嘉松,倪汉根,金生;瞬间全溃溃坝波的传播、反射和绕射的数值模拟[J];水动力学研究与进展(A辑);2000年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张德兴;不可压缩流的晶格玻耳兹曼模型的讨论[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2003年04期
2 林建忠;邵雪明;石兴;余钊圣;;STUDY ON THE INTERACTION OF SEDIMENTING CYLINDRICAL PARTICLES IN STILL FLUID[J];Acta Mechanica Sinica;2004年01期
3 ;A novel incompressible finite-difference lattice Boltzmann equation for particle-laden flow[J];Acta Mechanica Sinica;2005年06期
4 司鹄;毕海普;;Numerical simulation of pollutant diffusion and decay process after a water pollution incident in the Three Gorges Reservoir[J];Journal of Chongqing University(English Edition);2008年01期
5 胡健行,李幼铭;模拟固体中波动过程的细胞自动机建模研究[J];地球物理学报;1997年01期
6 王真理,李幼铭;细胞自动机地震波模拟的并行化算法[J];地球物理学报;1999年03期
7 冯士德,赵颖,茑原道久,季仲贞;旋转流场中的格子波耳兹曼模型[J];地球物理学报;2002年02期
8 钟霖浩;罗德海;冯士德;高守亭;;准地转大洋风生环流的格子Boltzmann数值模拟[J];地球物理学报;2006年05期
9 程雪玲;胡非;赵松年;姜金华;;格子玻尔兹曼方法及其在大气湍流研究中的应用[J];地球科学进展;2007年03期
10 张蕊;严壮志;刘玮;;图像修复的格子波尔兹曼方法[J];电子测量技术;2011年03期
中国重要会议论文全文数据库 前5条
1 刘天成;刘高;葛耀君;吴宏波;曹丰产;;基于拓展LB方法的桥梁结构数值风洞软件研发及应用[A];第十四届全国结构风工程学术会议论文集(下册)[C];2009年
2 王鑫;岳志远;曹志先;;溃坝流量过程数值研究[A];第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集[C];2008年
3 葛蔚;赵辉;王军武;王利民;;化学工程中的计算流体力学[A];第十届全国信息技术化工应用年会论文集[C];2005年
4 王兴勇;郭军;刘树坤;谢省宗;;Lattice Boltzmann方法的分块-耦合算法[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
5 吕林;李玉成;陈兵;;溃坝流动的有限元数值模拟[A];2005年度海洋工程学术会议论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈晨;基于细胞自动机方法的城市交通流模拟及优化[D];华中科技大学;2010年
2 吴锋;基于GPU并行计算的数值模拟与燃煤锅炉系统的优化研究[D];浙江大学;2010年
3 张邵波;纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究[D];浙江大学;2009年
4 闫铂;反应扩散方程的格子Boltzmann方法及数值模拟[D];吉林大学;2011年
5 张建影;用于复Ginzburg-Landau方程的格子Boltzmann方法[D];吉林大学;2011年
6 刘芳;格子Boltzmann方法求解偏微分方程的相关研究[D];吉林大学;2011年
7 荣伏梅;基于格子Boltzmann方法的多孔介质REV尺度的流动与强化传热研究[D];华中科技大学;2011年
8 栗怀广;钝体空气动力学的格子玻尔兹曼方法[D];西南交通大学;2010年
9 王勇;格子Boltzmann方法在热声领域的应用及热声谐振管可视化实验研究[D];西安交通大学;2009年
10 张文铸;无线传感网络拓扑控制关键问题[D];清华大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 万成;动态环境下的元胞遗传算法研究[D];南昌航空大学;2010年
2 房殿荣;黄河下游堤防溃口土体的冲刷性能[D];郑州大学;2010年
3 陈林婕;几类非线性偏微分方程的格子Boltzmann方法[D];福建师范大学;2010年
4 牛文科;基于细胞自动机的分类算法的研究及应用[D];西安电子科技大学;2009年
5 陈海峰;基于Hopf-Cole变换Burgers方程的有限元方法研究[D];内蒙古大学;2011年
6 王英英;基于格子Boltzmann方法的海流能水轮机大雷诺数模拟研究[D];中国海洋大学;2011年
7 王锐;虚拟环境中海洋场景建模与绘制研究及实现[D];安徽大学;2011年
8 吴小霞;GPU高性能计算技术在晶格玻尔兹曼方法模拟中的应用[D];广西师范大学;2011年
9 李国平;二维方腔内非牛顿流体的格子Boltzmann模拟[D];华中科技大学;2010年
10 张利红;方腔内带Soret效应和Dufour效应的双扩散对流的格子Boltzmann模拟[D];华中科技大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙成海;;LATTICE-BOLTZMANN MODEL FOR COMPRESSIBLE PERFECT GASES[J];Acta Mechanica Sinica;2000年04期
2 王泽宇;冯炼;张发勇;;竖井烟囱效应作用下的隧道火灾通风数值模拟[J];地下空间与工程学报;2006年03期
3 王龙;圆柱绕流的LBM模拟[J];北京大学学报(自然科学版);2002年05期
4 骆祖江;沁水盆地3~#煤层气井三维数值模拟[J];吉林大学学报(地球科学版);2003年04期
5 骆祖江,叶建平;沁水盆地FZ煤层气井网三维数值模拟[J];成都理工大学学报(自然科学版);2005年03期
6 张有生,秦勇,陈家良;煤层显微序列数学模拟及其在煤储层物性评价中初步应用[J];沉积学报;1998年04期
7 苏风民;马学虎;陈嘉宾;张勇;;双组分纳米流体导热系数研究[J];大连理工大学学报;2008年06期
8 黎夏,叶嘉安;基于神经网络的元胞自动机及模拟复杂土地利用系统[J];地理研究;2005年01期
9 朱益华;陶果;方伟;王胜奎;;低渗气藏中气体渗流Klinkenberg效应研究进展[J];地球物理学进展;2007年05期
10 钟霖浩;罗德海;冯士德;高守亭;;准地转大洋风生环流的格子Boltzmann数值模拟[J];地球物理学报;2006年05期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 李伟;吴建国;;淮北矿区煤层气抽采技术与实践[A];煤层气勘探开发理论与实践[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 闫铂;反应扩散方程的格子Boltzmann方法及数值模拟[D];吉林大学;2011年
2 张建影;用于复Ginzburg-Landau方程的格子Boltzmann方法[D];吉林大学;2011年
3 刘芳;格子Boltzmann方法求解偏微分方程的相关研究[D];吉林大学;2011年
4 贾红丽;多角形区域上偏微分方程混合非齐次边值问题的谱元方法和区域分解拟谱方法[D];上海师范大学;2011年
5 赵凯;基于孔隙尺度的多孔介质流动与传热机理研究[D];南京理工大学;2010年
6 张云;多孔介质中流动的格子Boltzmann模拟[D];中国石油大学;2011年
7 张群;煤层气储层数值模拟模型及应用的研究[D];煤炭科学研究总院;2002年
8 张冬丽;煤层气定向羽状水平井开采数值模拟方法研究[D];中国科学院研究生院(渗流流体力学研究所);2004年
9 钟霖浩;风生环流机制模式的格子Boltzmann数值模拟[D];中国海洋大学;2005年
10 陈胜;格子Boltzmann方法模拟多相(反应)流动[D];华中科技大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 姚正平;基于格子Boltzmann方法的纳米流体流动与能量传递机理研究[D];南京理工大学;2003年
2 郑宪宝;人工裂缝井生产动态模拟研究[D];大庆石油学院;2006年
3 周志雄;高真空多层绝热中接触导热数值计算和实验研究[D];上海交通大学;2007年
4 王建瑜;谱方法在计算流体力学中的应用研究[D];西北工业大学;2007年
5 耿继原;矿井火灾时期烟流动态过程的数值模拟[D];辽宁工程技术大学;2007年
6 卢泉杰;油藏数值模拟中复杂网格系统生成技术研究[D];中国石油大学;2008年
7 周艳祖;非线性Sine-Gordon方程的高精度差分格式[D];暨南大学;2008年
8 林红;纳米流体强化传热特性的理论及实验研究[D];青岛科技大学;2008年
9 邢玉飞;基于LBM地下煤层瓦斯运移仿真实现[D];西安建筑科技大学;2009年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 蒋涛;欧阳洁;栗雪娟;张林;任金莲;;瞬态热传导问题的一阶对称SPH方法模拟[J];物理学报;2011年09期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 谭玲燕;用格子Boltzmann方法模拟圆柱的搅动流动及减阻[D];吉林大学;2011年
2 武芳芳;用格子Boltzmann方法求解一类变系数偏微分方程[D];吉林大学;2012年
3 赖惠林;几类非线性波方程的格子玻尔兹曼模型的数值分析及模拟[D];福建师范大学;2012年
4 罗金辉;煤层气运移LBM模型与井间干扰模拟研究[D];中国矿业大学;2012年
5 徐慧;粒子群优化算法改进及其在煤层气产能预测中的应用研究[D];中国矿业大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 曹宇;基于LBM的地下矿火灾热流仿真研究[D];西安建筑科技大学;2011年
2 赵胤智;基于格子Boltzmann方法的轨道动边界模拟[D];华中科技大学;2011年
3 徐鹤函;利用LBM模拟纳米流体Rayleigh-Benard流动及换热特性[D];大连理工大学;2013年
4 王慧;天山北坡融雪期季节性冻土下渗机制研究[D];新疆大学;2013年
5 庞涛;焦坪矿区煤层气井排采工艺技术研究[D];煤炭科学研究总院;2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前5条
1 康红文,王鹏云,徐祥德;自适应网格技术在数值模式中的应用研究 I.一维问题[J];大气科学;2000年05期
2 邹秀芬;对流扩散方程的格点模型[J];计算物理;1996年03期
3 阎广武,胡守信,施卫平;守恒方程的差分型格子气方法[J];计算物理;1997年02期
4 李元香,康立山;线性和拟线性抛物型方程的格点模型[J];计算物理;1997年Z1期
5 忻孝康 ,朱士灿 ,张慧生;一维Burgers方程的各种差分格式研究[J];上海力学;1980年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 谷黎;姜水生;;振动Couette流稀薄效应的直接模拟Monte Carlo方法[J];南昌大学学报(理科版);2008年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 ;The Gap between Linearized Poisson-Boltzmann Theory and DLVO Theory[A];第七届全国液体和软物质物理学术会议程序册及论文摘要集[C];2010年
2 ;A Fluctuating Lattice-Boltzmann Model for Direct Numerical Simulation of Particle's Brownian Motion[A];中国颗粒学会第六届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集(下)[C];2008年
3 方科;陈锋;苏雁军;;一种环境水质的格子Boltzmann建模研究[A];'2010系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2010年
4 赫万恒;钱跃竑;;浅水波方程的格子Boltzmann模拟[A];力学与工程应用(第十三卷)[C];2010年
5 李志辉;方明;唐少强;;气体运动论统一算法与DSMC方法描述Boltzmann方程的一致性研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
6 董宇红;;基于格子Boltzmann方程的大涡模拟及湍流时空关联性的研究[A];第十二届现代数学和力学会议论文集[C];2010年
7 戴传山;刘学章;;格子Boltzmann方法用于多孔介质与自由流体开口腔体内自然对流的数值模拟研究[A];中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C];2011年
8 梁功有;曾忠;张永祥;张良奇;姚丽萍;邱周华;;封闭方腔内自然对流的格子Boltzmann方法模拟[A];重庆力学学会2009年学术年会论文集[C];2009年
9 吴南健;;采用耦合单电子的量子器件和量子电路(英文)[A];信息科学与微电子技术:中国科协第三届青年学术年会论文集[C];1998年
10 戴传山;李琪;;微纳米颗粒群外绕恒壁温圆管沉积特性[A];中国化工学会2011年年会暨第四届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛论文集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 记者 王进;华中科大船海学院六项目获国家自然基金资助[N];中国船舶报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 武芳芳;用格子Boltzmann方法求解一类变系数偏微分方程[D];吉林大学;2012年
2 王颖;一些关于Boltzmann方程的解的存在与稳定性问题[D];中国科学技术大学;2012年
3 刘艳红;电磁波的格子Boltzmann方法研究[D];吉林大学;2013年
4 李婷婷;弹性动力学变形的格子Boltzmann方法研究[D];吉林大学;2013年
5 史秀波;用于波动方程的格子Boltzmann方法及数值模拟研究[D];吉林大学;2010年
6 闫铂;反应扩散方程的格子Boltzmann方法及数值模拟[D];吉林大学;2011年
7 刘芳;格子Boltzmann方法求解偏微分方程的相关研究[D];吉林大学;2011年
8 张建影;用于复Ginzburg-Landau方程的格子Boltzmann方法[D];吉林大学;2011年
9 王勇;格子Boltzmann方法在热声领域的应用及热声谐振管可视化实验研究[D];西安交通大学;2009年
10 李俏杰;格子Boltzmann方法在几类典型偏分方程及高速压制成形中的应用[D];中南大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 周楠;基于Boltzmann原理烟雾蔓延的仿真[D];西安建筑科技大学;2010年
2 杨士梅;基于Boltzmann方法绕流的数值计算[D];大庆石油学院;2010年
3 光明;由线性化的Boltzmann方程的解得到二粒子Boltzmann方程的色散关系[D];内蒙古大学;2011年
4 皮兴才;格子Boltzmann方法及其在微流动中的应用研究[D];国防科学技术大学;2011年
5 魏泓睿;关于Boltzmann方程的反向解[D];清华大学;2012年
6 李霞;用Lattice Boltzmann方法处理传热传质中的固液相变问题[D];浙江师范大学;2011年
7 宾超华;用格子Boltzmann方法研究中医推拿和分叉管中的血液流[D];广西师范大学;2014年
8 许鹤林;格子Boltzmann方法理论及其在流体动力学中的应用研究[D];复旦大学;2010年
9 叶丽娜;基于格子Boltzmann模型的Kuramoto-Sivashinsky方程的数值模拟研究[D];吉林大学;2011年
10 沈峰;均匀各向同性湍流的格子Boltzmann模拟[D];华中科技大学;2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026