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基于LBM的两相流数值模拟及其并行算法的实现

魏艳  
【摘要】:孔隙介质中两相流流动在科学和工程的许多领域中都占有十分重要的地位,一直是国内外学者研究的热点。随着环境岩土工程的发展,两相渗流在地下水污染预测、去除环境污染、地下工程等实践中有了进一步的发展,同时这些工程实践也对二相流体系统的研究提出了更高的要求。因此,研究孔隙介质中两相流体流动具有重要的理论意义和实际意义。 近二十年来,格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种流体系统建模和模拟的新方法,在其理论及应用研究等方面都取得了迅速发展。该方法是介于流体的微观分子动力学模型和宏观连续模型之间的介观模型,兼具二者的优点,因此被广泛应用于孔隙介质等传统模拟方法难以胜任的领域。 然而,随着研究对象的规模日益庞大,网格数目不断上升,计算量也随之递增。因此,需要通过功能更强大的计算机系统和计算技术来加快求解的速度以解决此类问题,并行计算机及并行计算技术应运而生,提供了一种实现高速计算的方法。此刻,格子Boltzmann方法在并行性和可扩展性方面的优势得到了充分体现。 本文在RedHat Linux环境下提出了基于Fortran和消息传递接口(Message Passing Interface,MPI)的LBM一般并行实现方法,并将其应用到二维Poseuille流的模拟中,以验证该算法的正确性和高效性。然后通过引入分子间相互作用力及流-固作用力,设计了两相流的并行算法,并应用该算法模拟不同理想状态下的流体流动,包括相分离模拟和接触角模拟,将模拟结果与已知的理论结果作对比,从而验证该两相流并行算法的正确性及用之模拟孔隙介质中两相流流动的可行性。最后根据此并行算法模拟孔隙介质中的两相流流体流动,研究了孔隙介质中润湿相入侵非润湿相的流动特性以及固体润湿性对于流体流动的影响,再现了孔隙介质中流体流动的狭长薄膜形成、狭窄孔道流体卡断及非润湿性相聚集等现象。


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