氣固兩相流的高效格子Boltzmann算法設(shè)計(jì)及其直接數(shù)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(duì)兩相流理論具有重要意義,對(duì)此過程的內(nèi)在機(jī)理的認(rèn)識(shí)、探討和模型預(yù)報(bào)是氣固兩相流體力學(xué)的核心問題。通過實(shí)驗(yàn)來研究顆粒對(duì)流場的影響,會(huì)有相當(dāng)大的局限性。作為一種新的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù),格子Boltzmann方法(LBM)已經(jīng)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(shí),由于顆粒占據(jù)一定的流場體積,這樣造成計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存消耗問

2、題特別突出,LBM代碼的優(yōu)化成為一個(gè)重要的課題。因此,我們提出了一個(gè)索引算法來處理這個(gè)問題。在此算法的基礎(chǔ)上,我們對(duì)氣固兩相流的一些前沿問題進(jìn)行了一些有益的探索。本文的研究工作有如下幾個(gè)方面:
　　首先,為改善現(xiàn)有算法的缺點(diǎn),我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)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(zhuǎn)化為一維問題,經(jīng)過此步驟后,通過碰撞和流動(dòng)的耦合,一個(gè)計(jì)算格點(diǎn)僅需要兩個(gè)臨近的格點(diǎn)即可完成一次迭代。索引算法的內(nèi)

3、存消耗只是Two-lattice算法的一半。與其它最快算法設(shè)計(jì)相比,索引算法在二維問題方面的加速比達(dá)到2.3X,三維情形的加速比也達(dá)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(fù)雜邊界的氣固兩相流的直接模擬,通過對(duì)1024個(gè)顆粒的沉降問題模擬,發(fā)現(xiàn)使用Intel(R)Xeon(R)E5645CPU,計(jì)算速度為20.19MLUPS。
　　其次,為了消減顆粒表面由于網(wǎng)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(diǎn),通過對(duì)比單顆粒在靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果,給出了使用MRT模擬顆粒運(yùn)動(dòng)的最佳參數(shù)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(shù)和顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系,并對(duì)管道寬度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了分析。
　　然后,分析了雙顆粒在牛頓流體中沉降的相互關(guān)系,給出了雙顆粒三種運(yùn)動(dòng)關(guān)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(yùn)動(dòng),分析了不同非牛頓指數(shù)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,并進(jìn)一步分析了非牛頓指數(shù)引起的流場渦量場的變化。
　　最后,我們對(duì)單個(gè)恒溫顆粒在非等溫流場中的沉降進(jìn)行了研究,根據(jù)管道寬度的不同,分兩部分進(jìn)行研究。首先對(duì)管道寬度為顆粒直徑4倍的情形,根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、平衡位置以及尾渦狀態(tài)等對(duì)Grashof數(shù)進(jìn)行分類;其次對(duì)管道寬度為顆粒直徑1.5倍的情形,管道壁面對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響加強(qiáng),我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新現(xiàn)象:顆粒的沉降速度隨著Grashof數(shù)的增