基于氣泡生長及多相流動(dòng)的格子Boltzmann模型及應(yīng)用研究.pdf

1、研究氣泡成核、長大及脫離的整個(gè)生長過程(氣泡動(dòng)力學(xué))，以及伴隨該過程的對(duì)流和微尺度傳輸現(xiàn)象，在核能、航天、材料等技術(shù)領(lǐng)域以及能源、動(dòng)力、石油、化工、冶金等工業(yè)中具有重要的研究意義。氣泡動(dòng)力學(xué)的研究涉及熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等眾多學(xué)科，是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)性研究，具有重要的科學(xué)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。它主要包括氣泡在液體中長大和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及氣泡在加熱壁面上成核、長大及脫離規(guī)律和條件等一系列復(fù)雜的科學(xué)問題。目前，人們對(duì)于這些科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)和

2、研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。無論是采用理論分析、傳統(tǒng)的場模擬方法、還是實(shí)驗(yàn)方法開展研究，都具有相當(dāng)?shù)碾y度。因而需要開拓新的研究思路。
　　 考慮到作為介觀尺度方法之一的格子Boltzmann方法在處理微觀相互作用明顯系統(tǒng)時(shí)所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，本文進(jìn)行了基于格子Boltzmann方法的氣液相變及多相流動(dòng)問題的數(shù)值模擬研究，對(duì)氣泡生長過程及多相流動(dòng)中蘊(yùn)含的科學(xué)問題進(jìn)行深入探討。本文研究內(nèi)容主要包含兩個(gè)方面：1、多相格子Boltzmann方法基礎(chǔ)理

3、論的擴(kuò)展；2、格子Boltzmann方法在氣泡生長及多相流動(dòng)方面的數(shù)值模擬研究。
　　 基礎(chǔ)理論方面：
　　 ①基于Shan等提出的多組分多相偽勢(shì)格子Boltzmann模型，通過修改偽勢(shì)模型中的平衡態(tài)分布函數(shù)，使其滿足D2Q9格子，選取新的格林函數(shù)形式，并考慮外力及流體與壁面間的作用力，從而構(gòu)造了一種新的高效的多相格子Boltzmann模型。并在該模型的基礎(chǔ)上耦合相變方程，從而構(gòu)建了一種能夠描述氣液等溫相變的多組分多相格

4、子Boltzmann模型。
　　 ②基于Shan等及Zhang等提出的單組分多相格子Boltzmann模型，提出直接利用狀態(tài)方程求取體積力，使其避開有效密度及其梯度，并對(duì)速度進(jìn)行修正，從而建立了一種新的單組分多相格子Boltzmann模型(改進(jìn)模型1)。
　　 ③基于Zhang等的思想，利用其定義的粒子間相互作用勢(shì)來刻畫相變過程，并引進(jìn)由Kupershtokh等提出的精確差分方法來計(jì)算體積力，且對(duì)速度進(jìn)行了修正，從而建立

5、了精確差分格子Boltzmann模型(改進(jìn)模型2)。
　　 ④在改進(jìn)模型2的基礎(chǔ)上，耦合由Inamuro等提出的傳熱模型，從而構(gòu)建了一種新的描述氣液非均相相變的單組分多相格子Boltzmann模型。利用多尺度展開技術(shù)對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)回歸得到的能量方程與通過熵平衡方程推導(dǎo)得到的方程一致。
　　 數(shù)值模擬方面：
　　 ①通過對(duì)兩相不同粘性比的液滴內(nèi)外壓差、兩相層流、兩相滲透率進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了改進(jìn)的多組分

6、多相格子Boltzmann模型的正確性。進(jìn)而利用其考察流體與壁面間的作用強(qiáng)度系數(shù)對(duì)液滴在壁面上的潤濕性的影響；之后考察了接觸角以及Bond數(shù)對(duì)液滴在壁面上的滑動(dòng)、斷裂及脫離現(xiàn)象的影響。
　　 ②利用多組分多相格子Boltzmann相變模型對(duì)液化和蒸發(fā)過程的模擬，發(fā)現(xiàn)在氣相體積分?jǐn)?shù)、液相和氣相密度隨演化時(shí)間的變化關(guān)系方面，計(jì)算結(jié)果較文獻(xiàn)結(jié)果更加接近理論解；此外，還考察液相和氣相質(zhì)量隨演化時(shí)間的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)均與理論解吻合良好，且可

7、通過調(diào)節(jié)過熱度Δq的大小，獲取不同的相變速率。最后，利用其考察了不同重力加速度對(duì)池沸騰及豎直管內(nèi)流動(dòng)沸騰的影響、水平方向上的加速度對(duì)池沸騰以及水平管內(nèi)流動(dòng)沸騰的影響。
　　 ③利用SC模型、Zhang模型和改進(jìn)模型1分別對(duì)vdW流體的相變過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)模型1相對(duì)于另外兩個(gè)模型取得一定的改進(jìn)。進(jìn)而將改進(jìn)模型1應(yīng)用到不同狀態(tài)方程控制下的實(shí)際物質(zhì)(氨以及水)相變過程，發(fā)現(xiàn)在P-R狀態(tài)方程控制下模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好；并在改進(jìn)

8、模型1的基礎(chǔ)上耦合自由能泛函，利用其考察介觀粒子相互作用勢(shì)，以及與此作用勢(shì)相關(guān)的平衡態(tài)熱力學(xué)及非平衡態(tài)熱力學(xué)特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)均遵循不可逆熱力學(xué)理論。
　　 ④利用改進(jìn)模型2對(duì)水以及氨在不同狀態(tài)方程控制下的相變過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)其在溫度調(diào)節(jié)范圍和最大密度比方面較改進(jìn)模型1具有較大的改進(jìn)。進(jìn)而利用其分別探討了界面密度梯度；不同溫度下氣泡(液滴)的內(nèi)外壓力差，從而獲得水以及氨在不同溫度下的表面張力，這均與實(shí)驗(yàn)值吻合良好；水在特定

9、溫度下的亞穩(wěn)態(tài)平衡及不穩(wěn)定平衡態(tài)；等溫相變過程中的氣泡和液滴的形成條件、兩個(gè)靜止水滴的合并條件及合并時(shí)液橋?qū)挾扰c演化時(shí)間之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該關(guān)系式與通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論關(guān)系式吻合良好。
　　 ⑤由于改進(jìn)模型2所具有的優(yōu)勢(shì)，故利用其探討流體與壁面間的作用強(qiáng)度系數(shù)與氣泡靜態(tài)接觸角之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者呈線性關(guān)系，這與前人研究結(jié)果一致。之后利用非均相相變模型探討倍網(wǎng)格數(shù)對(duì)氣泡生長過程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水平方向上的網(wǎng)格數(shù)大于2倍的氣泡脫離直徑時(shí)，