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二维方腔内非牛顿流体的格子Boltzmann模拟

李国平  
【摘要】:格子Boltzmann方法(LBM)是近年来迅速发展的一类流体数值模拟计算方法。与传统方法相比,该方法有很多优点:程序简单、计算高效、天然并行性已成为处理复杂流动现象的有力工具等。应用领域非常广泛,例如:多孔介质流、多相流、湍流、血液流等。同时非牛顿流体与我们的生产和生活息息相关,例如人体身上的血液、淋巴液、囊液、沥青、油墨、砂土、食物添加剂、乳状液、聚合物溶液等。因此,深入研究非牛顿流体有很大的实用价值。我们知道,目前有很多种流体的数值模拟方法,但用格子Boltzmann方法处理非牛顿流体问题还没有引起广泛的关注。我们从经典的流体问题空腔流模拟入手,针对非牛顿流体各个特性进行研究和分析。 本文是用D2Q9模型来模拟方腔内的广义非牛顿流体——幂律型流体,展开研究和分析牛顿流体、剪切变稀流和剪切增稠流三种不同类型流体之间的流动现象。首先,选取一个范围内一系列的Reynolds数,100≤Re≤5000,通过纵向比较来分析剪切变稀流和剪切增稠流流动状况随Reynolds数的变化。两种幂律流都表现出方腔内流动现象越来越复杂,主涡涡心位置向空腔中心移动,各级涡强度逐渐增强,涡数越来越多。其次,选取不同指数n,0.25≤n≤1.75,然后通过横向比较分析同一Reynolds数下三种不同流体各级涡强度、大小、位置。随着n的增大,即流体的粘度增加,流动现象越来越复杂,各级涡强度也变强,涡数目越来越多,中心线上各速度分量变化也随n的增大而更加复杂。


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