流場幾何突變部位力學(xué)環(huán)境的Lattice Boltzmann模擬分析.pdf

1、柱體繞流和血液流動都是自然界中普遍存在的現(xiàn)象,它們與人類的生活密切相關(guān),長期以來都受到眾多學(xué)者的關(guān)注。在計算機(jī)出現(xiàn)以前,人們對此類現(xiàn)象的研究主要是通過理論分析和實驗觀測的方法來進(jìn)行的,但是隨著科技的發(fā)展,人們在工程中遇到的問題越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的理論分析和實驗觀測的方法已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代工程的需要。而計算機(jī)的出現(xiàn)為人們解決現(xiàn)代工程中的一些復(fù)雜問題開辟了一條新的途徑,計算機(jī)模擬已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)研究中的一種重要方法,為人們認(rèn)識和了解一些復(fù)雜的自

2、然現(xiàn)象提供了極大的幫助。在本文的工作中,我們通過計算機(jī)模擬的手段,用Lattice Boltzmann方法對方柱繞流現(xiàn)象和分岔血管內(nèi)的血液流動現(xiàn)象分別進(jìn)行模擬分析,力圖發(fā)現(xiàn)并了解存在于其中的一些規(guī)律,以便對這兩種流動現(xiàn)象有比較清晰的認(rèn)識。本文的工作主要包括以下兩個方面:
　　 (1)方柱繞流的研究:對此問題的研究主要包括三個方面的工作。首先,我們模擬了位于流場中央的單個方柱繞流現(xiàn)象,觀察了方柱的尾流在不同雷諾數(shù)條件下的變化情況,

3、結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著雷諾數(shù)的變化,方柱的尾流呈現(xiàn)出兩種明顯不同的流動形態(tài):當(dāng)雷諾數(shù)比較小時,方柱后面只出現(xiàn)兩個對稱的漩渦但沒有形成渦街,隨著雷諾數(shù)的增大,兩個對稱漩渦會逐漸失去對稱性而產(chǎn)生振動,形成周期性渦街。方柱的尾流從對稱漩渦轉(zhuǎn)變成周期性渦街的臨界雷諾數(shù)大約等于60。同時我們還計算了不同雷諾數(shù)條件下方柱的Strouhal數(shù),并與其它文獻(xiàn)進(jìn)行了比較,結(jié)果是吻合的。然后,我們對兩個并列方柱的繞流現(xiàn)象進(jìn)行了模擬分析.發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)不變的情況下,兩

4、個方柱之間的間距對其尾流形態(tài)起著決定性的影響:當(dāng)間距比較小時,兩個方柱的尾流是不對稱的,因為相距很近,都位于彼此可以影響到的流場范圍內(nèi),相互之間會產(chǎn)生干擾,這種干擾是不對稱的,所以兩條尾流也不對稱,這時兩個方柱的升力系數(shù)和阻力系數(shù)相差較大,Strouhal數(shù)也有明顯的波動,流場的流動表現(xiàn)出偏流特性;隨著間距的逐漸增大,兩個方柱漸漸遠(yuǎn)離,彼此之間的干擾逐漸減弱,當(dāng)間距增大到某一臨界值時,流場的流動形態(tài)從偏流轉(zhuǎn)變成關(guān)于間距中心軸線對稱的對稱

5、流,這時兩個方柱有相同的阻力系數(shù),Strouhal數(shù)也基本相等,而升力系數(shù)則關(guān)于x=0對稱。流動由偏流轉(zhuǎn)變成對稱流的臨界間距比大約為s=1.5。當(dāng)s＜1.5,流動表現(xiàn)出偏流的特性,當(dāng)s＞1.5時,流動表現(xiàn)出對稱流的特性。在以上工作的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步研究了不同間距、不同雷諾數(shù)條件下方柱的繞流特征。研究結(jié)果顯示:當(dāng)兩個方柱的間距處于臨界間距附近時(如s=1.5和1.8),隨著雷諾數(shù)的增大,它們的均值升力系數(shù)和均值阻力系數(shù)有比較明顯的波動。

6、這是兇為處于臨界間距條件下的兩個方柱,其尾流也處于由偏流轉(zhuǎn)變成對稱流的臨界狀態(tài),這種臨界狀態(tài)是不穩(wěn)定的,雷諾數(shù)的變化會對它產(chǎn)生影響:當(dāng)雷諾數(shù)比較小時,兩個方柱受到流場的作用接近于對稱,所以它們的均值升力系數(shù)和均值阻力系數(shù)有著相同的變化趨勢;隨著雷諾數(shù)的增大,流場的不穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng),這時兩個方柱在流場中的對稱狀態(tài)被打破,它們的均值升力系數(shù)和均值阻力系數(shù)的變化趨勢不再相同,并且出現(xiàn)了比較明顯的波動。當(dāng)兩個方柱的間距比臨界間距大時(如s=2

7、.5),流場已經(jīng)處于對稱狀態(tài),即使雷諾數(shù)的增大使流場的不穩(wěn)定性增強(qiáng)也不足以打破兩個方柱在流場中的對稱狀態(tài),這時,它們的均值升力系數(shù)和均值阻力系數(shù)只是隨著雷諾數(shù)的變化產(chǎn)生有規(guī)則的變化,而沒有出現(xiàn)明顯的波動。
　　 (2)分岔血管內(nèi)血液流動特征的研究:主要對單分岔血管、二級對稱分岔血管和具有自相似結(jié)構(gòu)的多分貧血管的血液流動特征進(jìn)行了模擬分析。在對單分岔血管的研究中,我們主要觀察了分岔附近的流動現(xiàn)象。因為母管和子管之間有一段擴(kuò)展區(qū)域,

8、流體流經(jīng)這段區(qū)域時速度會減慢,橫截面的速度剖面不再是拋物線分布,最大速度也不是在母管中心線的位置而是在靠近兩邊管壁的部位,母管中心線附近的流體其流速隨著與分岔部位距離的縮短而逐漸減小。流體在分岔附近區(qū)域分成兩股流入兩根子管,子管中流體的速度剖面呈拋物線分布;在對二級對稱分岔血管的研究中,我們主要分析了分岔角度對分岔附近區(qū)域流動特征的影響,發(fā)現(xiàn)分岔角度的增大不僅使分岔附近區(qū)域的最大流速隨之增大,而且向兩邊管壁發(fā)生偏移。這主要是因為流體在流

9、經(jīng)分岔區(qū)域時與管壁發(fā)生碰撞,同時受到來自管壁的與其流向成一定角度的作用力,流體的速度和流向會因此而發(fā)生改變。分岔角度越大,流體的速度和流向的變化也越大,甚至?xí)诜植砀浇霈F(xiàn)諸如二次流之類的流動現(xiàn)象,這時分岔附近區(qū)域的流動特征就更加復(fù)雜。在對具有自相似結(jié)構(gòu)的多級分岔血管的研究中發(fā)現(xiàn):流體主要在靠近中間部位的分枝內(nèi)流動,兩側(cè)分枝的流速很小,流體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。隨著分岔的增多,從母管到子管的平均流速其總體變化趨勢是遞減的,流體在整個分枝系統(tǒng)