氣固兩相流的高效格子Boltzmann算法設計及其直接數值模擬.pdf

1、氣固兩相流在自然界和許多工業(yè)過程中都扮演著十分重要的角色。顆粒和流體的相互作用對兩相流理論具有重要意義,對此過程的內在機理的認識、探討和模型預報是氣固兩相流體力學的核心問題。通過實驗來研究顆粒對流場的影響,會有相當大的局限性。作為一種新的計算流體動力學技術,格子Boltzmann方法(LBM)已經成為研究氣固兩相流的有力工具。但是,用格子Boltzmann方法直接模擬氣固兩相流時,由于顆粒占據一定的流場體積,這樣造成計算時間和內存消耗問

2、題特別突出,LBM代碼的優(yōu)化成為一個重要的課題。因此,我們提出了一個索引算法來處理這個問題。在此算法的基礎上,我們對氣固兩相流的一些前沿問題進行了一些有益的探索。本文的研究工作有如下幾個方面:
　　首先,為改善現有算法的缺點,我們設計了一個新的LBM優(yōu)化算法索引算法。該算法通過索引(指針)的輪換,可以把二維或者三維問題轉化為一維問題,經過此步驟后,通過碰撞和流動的耦合,一個計算格點僅需要兩個臨近的格點即可完成一次迭代。索引算法的內

3、存消耗只是Two-lattice算法的一半。與其它最快算法設計相比,索引算法在二維問題方面的加速比達到2.3X,三維情形的加速比也達到1.3X,而且,它在緩存性能方面綜合性能也是最優(yōu)的。此外,該算法可以很容易地用于具有復雜邊界的氣固兩相流的直接模擬,通過對1024個顆粒的沉降問題模擬,發(fā)現使用Intel(R)Xeon(R)E5645CPU,計算速度為20.19MLUPS。
　　其次,為了消減顆粒表面由于網格離散引起的離散誤差,我們

4、利用LBM多松弛模型在邊界處理方面的優(yōu)點,通過對比單顆粒在靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)的計算結果,給出了使用MRT模擬顆粒運動的最佳參數取值。
　　再次,研究了單顆粒在牛頓流體中的沉降,分析了單顆粒最終沉降雷諾數和顆粒運動狀態(tài)的關系,并對管道寬度對顆粒運動的影響進行了分析。
　　然后,分析了雙顆粒在牛頓流體中沉降的相互關系,給出了雙顆粒三種運動關系以及它們速度,角速度和位置變化。
　　接著,研究了單顆粒和雙顆粒在冪律非牛頓流體中

5、的運動,分析了不同非牛頓指數對顆粒運動軌跡的影響,并進一步分析了非牛頓指數引起的流場渦量場的變化。
　　最后,我們對單個恒溫顆粒在非等溫流場中的沉降進行了研究,根據管道寬度的不同,分兩部分進行研究。首先對管道寬度為顆粒直徑4倍的情形,根據顆粒運動的狀態(tài)、平衡位置以及尾渦狀態(tài)等對Grashof數進行分類;其次對管道寬度為顆粒直徑1.5倍的情形,管道壁面對顆粒運動的影響加強,我們發(fā)現了一個新現象:顆粒的沉降速度隨著Grashof數的增