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格子Boltzmann方法及其对圆柱绕流问题的模拟

陈同庆  
【摘要】: 本文以格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,简称LBM)对几种水流条件下的圆柱绕流问题进行了模拟,包括恒定均匀流、正弦变化的振荡流和线性剪切流。 本文对网格密度、计算区域宽度和出流边界条件对计算结果的影响进行了较详细的讨论,给出了一种对流边界条件的实现方法,该边界条件对内部流场的影响较小,但在高Re数时该方法会引起数值上的不稳定性。 对于恒定均匀流作用下的圆柱绕流,当Re数小于300时以二维LBM能得到与试验一致的涡脱落频率和拖曳力系数,当Re数较高时,采用大涡模拟和LBM相结合的方法能保证数值上的稳定性,但利用二维模型得到的尾流内的涡结构和力系数与试验数据和其它数值方法的三维数值模拟结果都有偏差。 对于振荡流作用下的圆柱绕流,不宜采用流速边界作为振荡流驱动条件,而以体力方式的驱动条件能得到所需的振荡流,本文采用体力方式的驱动条件对振荡流作用下的圆柱绕流进行了模拟,得到了定常整流流动,并对定常整流流动的形成及其特征进行了分析。 本文对Re数为100,剪切率小于等于0.1的线性剪切流作用下的圆柱绕流问题进行了模拟,讨论了剪切作用对涡的形状、涡的脱落频率、拖曳力系数和横向力系数所产生的影响。模拟结果显示剪切率为0.1时圆柱后仍会发生涡的脱落,在剪切流作用下圆柱所受的时均横向力不为零,其方向由流速较大的一侧指向流速较小的一侧。


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