基于格子Boltzmann方法的氣-液-固耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)值研究.pdf

1、氣-液-固耦合是一個(gè)多相流（氣相、液相和固相）研究問(wèn)題，是水利機(jī)械、液壓機(jī)械、以及船舶與海洋工程等領(lǐng)域中的重要課題，直接與設(shè)備的防護(hù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)。流體流經(jīng)水下結(jié)構(gòu)物時(shí)，會(huì)發(fā)生繞流現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)上載荷的變化。載荷的波動(dòng)，輕者會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，重者甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)的損毀。特別是在軍事裝備領(lǐng)域，即使是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，也將嚴(yán)重影響水下航行器（如潛艇）的深隱身性能，危及航行器和艦載人員的安全。受流場(chǎng)環(huán)境的影響，設(shè)備與流體間的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程

2、，常伴隨氣泡的產(chǎn)生，如螺旋槳附近的空化氣泡、管道和閥門流中的氣泡等。因此，對(duì)氣-液-固耦合動(dòng)力學(xué)的研究不但具有基礎(chǔ)的學(xué)術(shù)意義，而且能夠?yàn)閷?shí)際工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)保障。氣-液-固耦合動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵是耦合問(wèn)題，即對(duì)流-固界面、氣-液界面，以及界面間的相互作用進(jìn)行研究。界面的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、破裂和融合過(guò)程是一個(gè)表現(xiàn)在宏觀層面，卻決定于微觀層面的非常復(fù)雜的物理行為。目前，雖然主要依賴于實(shí)驗(yàn)研究，但實(shí)驗(yàn)研究的代價(jià)昂貴，而且受限于實(shí)驗(yàn)條件和觀察手段

3、;理論研究是另一種主要研究手段，但其求解復(fù)雜，往往需要大量假設(shè)，受限于一般或者通解的情況。數(shù)值研究是區(qū)別于前兩種的第三種主要研究手段，隨著現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，其越來(lái)越被認(rèn)為是研究多相流動(dòng)力學(xué)過(guò)程和相關(guān)機(jī)理的重要手段。本文從水下界面運(yùn)動(dòng)特性研究的角度出發(fā)，采用基于分子動(dòng)理論的格子Boltzmann方法(LBM)對(duì)流-固界面、氣-液界面和兩者間相互作用的多相耦合問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
　　格子Boltzmann方法常

4、被視為介于宏觀層面和微觀層面之間的一種介觀無(wú)網(wǎng)格粒子算法，它利用密度分布函數(shù)來(lái)確定流域內(nèi)的粒子分布，并通過(guò)多尺度展開，自下而上建立與宏觀控制方程，如Navier-Stokes方程的聯(lián)系。不同于傳統(tǒng)的有限差分、有限元和有限體積等數(shù)值方法，其具有微觀動(dòng)理論特性，有著傳統(tǒng)數(shù)值方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如清晰的物理背景、天然的可并行性和靈活的參數(shù)可控性等。
　　針對(duì)氣-液-固耦合動(dòng)力學(xué)研究的重要性，依托格子Boltzmann方法在計(jì)算流體領(lǐng)域內(nèi)

5、的優(yōu)勢(shì)，本文通過(guò)發(fā)展不同的數(shù)值模型，系統(tǒng)地開展了對(duì)流-固界面、氣-液界面以及兩種界面共存時(shí)運(yùn)動(dòng)特性的研究工作。主要的研究?jī)?nèi)容和取得的成果有:
　　(1)提出了一種適用于處理靜止流-固界面的格子Boltzmann方法。在該方法中，根據(jù)Half-way反彈模型在實(shí)際物理邊界與毗鄰的流體節(jié)點(diǎn)位置之間建立一層虛擬邊界，并結(jié)合有限差分方法獲得虛擬邊界上的宏觀變量，以虛擬邊界代替實(shí)際邊界的壁面反彈過(guò)程，計(jì)入了對(duì)實(shí)際邊界相對(duì)于網(wǎng)格線偏移量的考慮

6、。該方法雖然適用于靜止流-固界面的處理，但也能拓展到對(duì)特定的運(yùn)動(dòng)流-固界面（即在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不涉及到流體節(jié)點(diǎn)和固體節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)變）進(jìn)行處理。基于一些經(jīng)典算例進(jìn)行了驗(yàn)證，包括平板間的Poiseuille流、平板間的Couette流、靜止圓柱繞流和旋轉(zhuǎn)Couette流。
　　(2)提出了一種適用于處理運(yùn)動(dòng)流-固界面的格子Boltzmann方法。在該方法中，引入了浸沒(méi)邊界方法，基于歐拉-拉格朗日坐標(biāo)體系對(duì)流場(chǎng)中復(fù)雜運(yùn)動(dòng)界面進(jìn)行描述。采用隱式

7、速度糾正算法，保證了流-固界面處的非滲透、非滑移的邊界條件。同時(shí)，采用多松弛系數(shù)矩陣代替單一的松弛系數(shù)提高方法的數(shù)值穩(wěn)定性，最終形成了一種基于隱式速度糾正的多松弛浸沒(méi)邊界-格子Boltzmann方法。通過(guò)一些經(jīng)典算例進(jìn)行了方法驗(yàn)證，并以此為基礎(chǔ)，研究了來(lái)流與旋轉(zhuǎn)平板間的耦合特性。
　　(3)提出了一種適用于處理氣-液界面的格子Boltzmann方法及其并行計(jì)算模型。該方法基于自由能多相流原理，利用兩組格子Boltzmann方程對(duì)整

8、個(gè)兩相流系統(tǒng)進(jìn)行描述，其中一組用來(lái)求解計(jì)入了流場(chǎng)粘性和表面張力影響的Navier-Stokes方程，另一組用來(lái)求解Cahn-Hilliard方程。通過(guò)采用分步操作，提高了方法的數(shù)值穩(wěn)定性，并利用OpenMP多核共享內(nèi)存式并行計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建了處理氣-液界面的三維并行模型。通過(guò)Laplace定律、氣泡的形態(tài)等驗(yàn)證了方法的可靠性，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)單、雙氣泡的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究。
　　(4)研究了狹域中氣泡運(yùn)動(dòng)特性，包括管道內(nèi)氣泡和壁面驅(qū)

9、動(dòng)剪切流中的氣泡。通過(guò)管道內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究，一方面驗(yàn)證了本文提出的界面處理方法在氣-液-固耦合系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性，另一方面探究了阻塞率和偏心率對(duì)氣泡的拓?fù)渥冃魏瓦\(yùn)動(dòng)軌跡的影響。通過(guò)對(duì)壁面驅(qū)動(dòng)剪切流中氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究，一方面驗(yàn)證了Capillary數(shù)和雷諾數(shù)對(duì)氣泡變形的預(yù)報(bào)，另一方面對(duì)比了壁面驅(qū)動(dòng)剪切流和自由場(chǎng)剪切流中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性，探究了壁面的影響。
　　(5)研究了敞域中氣泡與平、曲壁面的耦合特性，通過(guò)改變氣泡與壁面結(jié)構(gòu)的