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《南昌大学》 2019年
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伪势多相格子Boltzmann模型的理论与应用研究

赵万东  
【摘要】:多相流以及气液相变传热问题广泛存在于能源与环境中的动力装置、催化化工、材料加工以及石油开采等领域。多相流以及气液相变传热过程大都涉及到液滴的融合与破裂,气泡的生长、融合与破裂以及流固之间的流动与传热等复杂问题。因此理解与探究多相流与气液相变传热中的流动与传热规律具有十分重要的意义。传统数值模拟方法在求解多相流的界面演化过程大多需要复杂的界面追踪或捕捉技术,且对于相变过程的实现上都带有一些人为添加因素。近几十年来,从介观尺度以及气体动力学理论出发的格子Boltzmann方法(LBM)被广泛地应用于多相流及气液相变的模拟中。其中伪势多相LBM模型由于理论简单,自动形成两相界面等特点,被大量应用于多相流中的液滴撞击以及气液相变等问题。然而自伪势模型提出以来,其在界面虚假速度、度比和热力学一致性等问题上存在一定的不足。因此针对以上问题,本文对伪势LBM的理论与发展进行了深入的研究与探讨,建立了二维伪势LBM、三维伪势LBM以及气液相变LBM模型,并分别进行了相关的应用研究。论文主要工作与结论如下:(1)本文重点对伪势多相LBM中的三种主要作用力格式在恢复宏观Navier-Stokes方程上进行了对比,并对表面张力的调节格式,气体状态方程以及不同壁面润湿特性施加格式进行了详细的讨论,最后建立了相应的二维与三维LBM模型。结果表明:Li等人基于Guo等人提出的作用力格式能很好地满足大密度比条件下的热力学一致性;基于势函数的接触角调节格式有着更好的润湿动力学特性;修正的伪势LBM能很好地实现对液滴表面张力的调节以及对液滴撞击液膜飞溅过程的捕捉。(2)基于上述的二维和三维大密度伪势MRT-LBM模型,本文系统研究了二维条件下的双液滴撞击,微通道内液滴撞击固体颗粒的动力学行为以及三维条件下的单液滴和连续双液滴撞击壁面过程。对二维撞击过程,着重讨论了Weber(We)数、Ohnesorge数、液滴物理属性和几何结构对撞击过程两相界面演化过程的影响。主要研究结果表明:随着We数的加大,双液滴撞击过程从融合到分离;双液滴沿y轴的初始距离越小,撞击后液滴旋转速度越小。随着We数增加,单液滴撞击固体颗粒拉伸后形成的液膜更细长;微通道固体颗粒越小,液滴越早发生断裂;对于亲水壁面的通道,液滴撞击后将会向上游润湿。对于三维单液滴撞击过程,液滴撞击后先进入铺展发展阶段,然后在表面张力和惯性力作用下往返运动;对于疏水壁面的撞击过程,液滴撞击后将会从壁面反弹起来;双液滴连续撞击过程会有更加复杂的动力学行为,且铺展时间更长。(3)系统讨论了目前主要存在的单松弛格式、多松弛(MRT)格式以及有限差分格式下的三种相变伪势模型。建立了以有限差分格式的二维和三维混合相变伪势MRT-LBM模型,并对其进行了相应的验证。结果表明,混合伪势LBM相变模型对液滴蒸发过程的模拟能很好地满足D2定律,这进一步验证了模型的准确性。(4)基于本文建立的二维和三维混合相变LBM模型,深入研究了二维与三维条件下的均质与非均质过冷壁面上饱和蒸汽的冷凝过程,以及二维水平壁面上的池内沸腾。主要研究结果表明:冷凝过程主要发生在三相接触线附近,同时有着较高的热流密度;亲水壁面更容易生长冷凝液滴,但过多的亲水壁面不利于液滴下落,同时阻碍进一步的冷凝。对于三维条件下的饱和蒸汽冷凝过程:基板为疏水,固体粗糙壁面为亲水的结构设计更利于液滴下落。此外,对于池内沸腾过程,伪势相变LBM很好地实现了对核态沸腾、过渡沸腾以及模态沸腾下汽化核心的形成,气泡的生长、融合和脱离过程的模拟。最后,我们给出了不同过热度下的平均热流密度曲线,该曲线与实验结果得出的沸腾曲线变化趋势十分吻合。总之,本文对伪势多相模型的基本理论和发展进行了详细的探讨,并深入研究了双液滴相互撞击过程,液滴撞击固体过程及气液相变过程中的冷凝与沸腾。本文进一步加深了对液滴撞击过程和气液相变过程中的物理规律与影响机制的理解,对伪势LBM模型在多相流以及气液相变的理论与工程应用起到了积极推动作用。
【学位授予单位】:南昌大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TK12

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