格子Boltzmann方法模擬多相（反應(yīng)）流動(dòng).pdf

1、近年來(lái)，格子Boltzmann方法已經(jīng)發(fā)展成為模擬流體流動(dòng)以及為復(fù)雜物理現(xiàn)象建模的一個(gè)新工具。與以宏觀連續(xù)方程為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算流體力學(xué)方法不同，格子Boltzmann方法是基于流體微觀模型和介觀動(dòng)力論方程的方法。與傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)方法相比，格子Boltzmann方法具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如編碼簡(jiǎn)單、邊界條件容易實(shí)現(xiàn)、具有完全并行性等。格子Boltzmann方法的這些特點(diǎn)吸引了許多領(lǐng)域的學(xué)者和工程技術(shù)人員，目前格子Boltzmann方法已

2、經(jīng)在多相流、多孔介質(zhì)流、懸浮粒子流、反應(yīng)流、磁流體力學(xué)和生物力學(xué)等領(lǐng)域取得了很大的成功，已經(jīng)成為流體力學(xué)模擬的一類重要方法。 但是，格子Boltzmann方法發(fā)展至今還存在一些不足。例如在本學(xué)科內(nèi)對(duì)燃燒的模擬，非均勻網(wǎng)格下相間作用力的處理、氣固多相流的雙向耦合等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究非常少。為了促進(jìn)格子Boltzmann方法在本學(xué)科的應(yīng)用，我們作了一些有益的嘗試，為相關(guān)工作的深入展開(kāi)奠定了必要的基礎(chǔ)。 首先，對(duì)現(xiàn)有的格子

3、Boltzmann方法外力模型進(jìn)行了概述。討論了不同外力模型的優(yōu)缺點(diǎn)。由于在格子Boltzmann方法中外力項(xiàng)的處理與反應(yīng)源項(xiàng)的處理思路相同，所以外力處理模型的討論對(duì)格子Boltzmann方法在多相流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用有非常重要的意義，但奇怪的是到目前為止還缺乏對(duì)此方向較全面的總結(jié)。文章將以此為基礎(chǔ)展開(kāi)相應(yīng)的研究工作，包括邊界條件對(duì)外力模型的影響，外力模型中各項(xiàng)對(duì)應(yīng)的物理意義及適用范圍。 其次，構(gòu)造了一種處理氣固多相流雙向耦合

4、的格子Boltzmann模型。其思想是基于分而治之的策略:使用格子Boltzmann方法模擬氣相，而顆粒相則通過(guò)顆粒的運(yùn)動(dòng)方程求解。與已有的模擬氣固多相流的格子Boltzmann模型相比，該模型首次考慮了氣固多相流中兩相間的耦合處理，因而適用范圍更廣。并且這種Euler－Lagrange體系使得格子Boltzmann方法的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。 第三，構(gòu)造了可以處理相間作用力的有限差分格子Boltzmann模型。該模型是基于啟發(fā)格式

5、的，能方便的推廣到非標(biāo)準(zhǔn)的格子Boltzmann模型中，如以壓力為演化函數(shù)的不可壓格子Boltzmann模型。而且在文中首次闡明了該模型中外力處理與格子Boltzmann方法中外力處理方式的物理聯(lián)系。 第四，設(shè)計(jì)了一種可以模擬低馬赫數(shù)燃燒的耦合格子Boltzmann模型。在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，該模型突破了傳統(tǒng)格子Boltzmann模型中不必要的附加限制，因而可以使用純格子Boltzmann模型模擬真實(shí)的燃燒現(xiàn)象。與標(biāo)準(zhǔn)的格子B

6、oltzmann模型相比，在穩(wěn)態(tài)問(wèn)題模擬中該模型沒(méi)有增加任何限制，并仍然具有計(jì)算效率高和容易在高性能并行計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。此外，這種設(shè)計(jì)思路也為其他的格子Boltzmann模型的設(shè)計(jì)提供了一條新途徑。 在本文中，還考察了邊界條件的數(shù)值實(shí)現(xiàn)對(duì)格子Boltzmann模型模擬結(jié)果的影響。因?yàn)檫吔缣幚砀袷綄?duì)格子Boltzmann模型的數(shù)值精度和穩(wěn)定性都有重要的影響。對(duì)于邊界處理格式的研究已在格子Boltzmann模型領(lǐng)域引起越來(lái)越多的