收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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

王勇  
【摘要】:热声热机是一种具有广阔应用前景的新型能源利用设备。热声研究涉及到声学、热力学、传热学、流体力学等众多学科,是一项多学科交叉的基础性研究,具有重要的科学价值和工程应用价值。热声系统中包含了低Ma数可压缩交变流动与换热、非线性效应、时空多尺度问题等一系列复杂的科学问题。目前,人们对于这些科学问题的认识和研究还远远不够。无论是采用理论分析、传统的场模拟方法、还是实验方法开展研究,都具有相当的难度。因而需要开拓新的研究思路。 考虑到介观模拟方法——格子Boltzmann方法的特点,本文进行了基于格子Boltzmann方法的热声问题的数值模拟研究,并辅以PIV可视化实验,对热声系统中蕴含的科学问题进行深入探索。 本文的研究内容包括格子Boltzmann方法基础理论的扩展、数值模拟和实验测定3个部分。在格子Boltzmann方法基础理论方面,提出了隐式-显式有限差分格子Boltzmann方法,以及一种基于多项式核函数的黏性可压缩模型,克服了原有的格子Boltzmann方法在理论上的不足;数值模拟方面,采用格子Boltzmann方法对交变流动与换热、Rayleigh-Bénard自然对流、声波衰减、热声谐振腔、热声非线性起振等问题进行了模拟研究;实验方面,设计并搭建了热声PIV可视化实验台,并对热声谐振管内的气体振荡流动进行了测定。主要工作如下: 格子Boltzmann方法的基础理论方面: (1)为了提高格子Boltzmann方法的计算效率,使得采用格子Boltzmann方法进行宏观尺度的热声问题的模拟成为可能,本文提出了一种新的算法——隐式-显式有限差分格子Boltzmann方法。在隐式-显式有限差分格子Boltzmann方法中,考虑到碰撞不变量的特性,隐式迭代可以完全消除,无需额外迭代,因而同时保留了隐式和显式的优点。算例考核表明,该算法可以在确保程序稳定的前提下大幅度提高计算效率。此外,该算法还可以方便地使用非均匀网格,并根据需要选择不同的时间空间离散格式,数值稳定性也可以通过Courant-Friedricks-Lewey条件来保证,这些都是标准格子Boltzmann方法所欠缺的。 (2)为了将格子Boltzmann方法用于低Ma数可压缩交变流动与换热的研究,本文提出了一种基于多项式核函数的黏性可压缩模型。该模型采用耦合的双分布函数:首先,由待定系数法确定一个满足所有统计力学约束的多项式核函数;其次,离散形式的密度分布函数和总能分布函数由多项式核函数通过Lagrangian插值获得,并通过气体状态方程耦合。算例考核表明,该模型适用于较大的Ma数范围,如模拟中Ma数最小为0.0845,最大到10。此外,该模型能同时实现Ma数、黏性系数、比热容比和Pr数可调。在数值模拟方面: (3)将标准格子Boltzmann方法应用于2维平直通道内不可压缩交变流动与换热的模拟研究,分析了交变频率、压力振幅以及空间位置对速度和温度的影响规律,证明了格子Boltzmann方法应用于这类复杂流动与换热问题的可行性。 (4)将标准格子Boltzmann方法应用于1维和2维情况下声波衰减过程的模拟。结果表明:在介质黏性以及壁面摩擦(仅2维)的作用下,声波沿着传播方向逐渐衰减,速度振幅及密度振幅越来越小,且随着波长增大或介质黏度减小,声波衰减减缓;沿声波传播方向,压力梯度都呈负指数形式减小,且波长越大,压力梯度减小越慢。 (5)基于插值格子Boltzmann方法对2维Rayleigh-Bénard自然对流进行了模拟研究。获得了Rayleigh-Bénard自然对流的演化过程,并给出了不同Ra数下系统稳定后的流线以及温度场,给出了Ra数以及空间位置对速度和温度分布的影响规律,且不同Ra数下的系统平均Nu数与相关文献数据吻合良好。结果还表明,虽然插值格子Boltzmann方法可以在不改变网格数的情况下,增大模拟区域的尺寸,但插值比超过20后,计算就会发散,因而该算法不适合热声问题的研究。 (6)分别采用标准格子Boltzmann方法和隐式-显式有限差分格子Boltzmann方法对声学谐振腔内的气体振荡进行了模拟研究。获得了密度、速度和压力等物理量随频率、时间和空间位置的分布,并清晰捕捉到了非线性激波的传播。其中,采用隐式-显式有限差分格子Boltzmann方法模拟获得的压力振幅与文献中的实验结果定量吻合。 (7)采用隐式-显式有限差分格子Boltzmann方法,以及基于多项式核函数的黏性可压缩模型,对Rijke管的热声非线性自激起振过程进行了模拟研究,并编写了基于OpenMP的并行程序。模拟成功实现了Rijke管的非线性自激起振,获得的一次频为171.2Hz,与理论一致,并研究了极限周期后管内的流动与换热规律。在实验方面: (8)自行设计搭建了一套热声PIV可视化实验台,并对谐振管内的气体振荡现象进行了测定。实验采用了2根长度分别为1020.5mm和517mm的谐振管,测得的谐振频率分别为78.8Hz和134.7Hz,实验获得了谐振频率下的典型流场,研究了频率、功率、测试位置以及管长对管内压力和速度的影响规律。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 谭正双;三峡有个格子河[J];中国三峡建设;1997年05期
2 yocco;刘序雯;;北京:YOCCO的闪闪亮[J];现代装饰(家居);2011年04期
3 向叶生;格子装饰别具一格[J];家庭科技;1999年02期
4 华锦云;格子装饰 别具一格[J];中国房地信息;2000年10期
5 傅刚 ,费菁;冲破格子笼[J];世界建筑;2001年10期
6 李永文;温馨的家居 在“格子”中定格[J];建材工业信息;1999年11期
7 兵尉;格子写字楼[J];广东建筑装饰;1997年02期
8 韩飞,杨军,沙家正;Rijke热声不稳定性的有源控制[J];声学学报(中文版);1997年05期
9 邓晓辉,李青,杨光,姚伟,郭方中;热声谐振管的实验研究[J];应用声学;1998年02期
10 李汉炎;声和热声转换[J];太阳能;1998年01期
11 李汉炎;热声热泵和制冷[J];太阳能;1998年03期
12 陈正军,郭方中;热声泵质[J];低温与超导;2000年02期
13 钱达仁;新世纪的发动机——没有运动件的发动机热声斯特林发动机简介[J];能源技术;2000年01期
14 李青;热机的新发展——热声热机[J];世界科技研究与发展;2000年04期
15 张晓青,郭方中;开式循环热声原理研究[J];低温工程;2001年02期
16 ;动态·信息[J];应用声学;2001年06期
17 金滔,范理,王本仁,张淑仪;PZT驱动热声制冷的性能分析[J];压电与声光;2003年03期
18 黄云,罗二仓,吴张华,戴巍,李晓明;高效室温行波热声制冷机的研究(第二部分:电声压缩机驱动的行波热声制冷机的实验研究)[J];低温与超导;2004年03期
19 涂虬,陈正军,张晓青,郭方中;热声理论的研究进展及其应用[J];真空与低温;2004年03期
20 罗二仓,黄云,戴巍,张泳,吴张华;高性能室温行波热声制冷机[J];科学通报;2005年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 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
2 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
3 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
4 ;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
5 ;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
6 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
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 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
10 陈瑜;蔡庆东;;基于四叉树网格的格子玻尔兹曼方法[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 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
3 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
4 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
5 郑林;微尺度流动与传热传质的格子Boltzmann方法[D];华中科技大学;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 张建影;用于复Ginzburg-Landau方程的格子Boltzmann方法[D];吉林大学;2011年
8 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
9 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
10 李秀文;用格子Boltzmann方法模拟电磁力作用下的流动问题[D];吉林大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 邓玉瑾;热声谐振管中声振荡的格子Boltzmann模拟[D];华中科技大学;2009年
3 王辉;基于格子Boltzmann方法的建筑流场仿真研究[D];西安建筑科技大学;2010年
4 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
5 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
6 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
7 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
8 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
9 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
10 梁义强;基于格子Boltzmann方法的混相驱替过程模拟研究[D];大连理工大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 尚德荣;格子裙给冬天点颜色[N];中国质量报;2000年
2 YMG记者 王波 凌云鹏 通讯员 潘鲁宁;“爱心格子店”培育爱心[N];烟台日报;2010年
3 王炳坤陈光明;格子店“试水”鞍山,投资百元可当老板[N];新华每日电讯;2008年
4 本报记者 顾一琼;“格子铺”赢得年轻人青睐[N];文汇报;2008年
5 罗闻;格子装尽显柔情[N];中国商报;2001年
6 廖晓生;花90元租个“格子”当老板[N];南昌日报;2008年
7 胡彦殊;“格子铺”成长要迈三道坎[N];四川日报;2008年
8 本报记者 傅盛宁实习生 吴翀;“格子店”:低成本创业[N];深圳商报;2008年
9 本报实习记者 王培根;用百万格子赚百万美元![N];电脑报;2005年
10 林志芳;武汉“格子铺”无人问津[N];市场报;2007年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978