不可压缩流体周期性流动格子波尔兹曼的边界处理

提出了一种新的周期性边界处理方法,用于处理格子波尔兹曼(lattice boltzmann)方法中压力驱动不可压缩流体周期性流动的边界条件。当压力驱动的不可压缩流体充分发展时,可以在周期性截面上直接用压力梯度而不是采用当量体积力的常规周期性边界处理方法,来确定周期性流动截面上的粒子分布密度。应用所提出的压力驱动不可压缩流体周期性流动的边界处理方法,对二维压力驱动下充分发展的泊肃叶流(poiseuille flow)和周期性方柱扰流进行了数值模拟。结果表明:该周期边界条件处理方法能够很好地保持系统周期性,在其宏观的周期性边界截面上产生了连续的压力分布,真正地实现了直接压力驱动不可压缩流体周期性流动条件下的所有特征。     

三维晶格玻尔兹曼方法模拟动脉弓内的流场

简要介绍了三维晶格玻尔兹曼方法,它是模拟流体流动以及为复杂物理现象建模的一个新工具.应用三维晶格玻尔兹曼方法对动脉弓模型的流场在不同雷诺数情况下进行模拟,给出了弯管内的轴速度、二次流和壁面剪切应力的分布特征,并对结果进行了详细的分析.     

Lattice Boltzmann method and its applications in engineering thermophysics

The lattice Boltzmann method （LBM）, a mesoscopic method between the molecular dynamics method and the conventional numerical methods, has been developed into a very efficient numerical alternative in the past two decades. Unlike conventional numerical methods, the kinetic theory based LBM simulates fluid flows by tracking the evolution of the particle distribution function, and then accumulates the distribution to obtain macroscopic averaged properties. In this article we review some work on LBM applications in engineering thermophysics： （1） brief introduction to the development of the LBM; （2） fundamental theory of LBM including the Boltzmann equation, Maxwell distribution function, Boltzmann-BGK equation, and the lattice Boltzmann-BGK equation; （3） lattice Boltzmann models for compressible flows and non-equilibrium gas flows, bounce back-specular-reflection boundary scheme for microscale gaseous flows, the mass modified outlet boundary scheme for fully developed flows, and an implicit-explicit finite-difference-based LBM; and （4） applications of the LBM to oscillating flow, compressible flow, porous media flow, non-equilibrium flow, and gas resonant oscillating flow.     

用晶格Boltzmann方法模拟动脉分叉流场

简要介绍了晶格Boltzmann方法(LBM),它是模拟流体流动以及为复杂物理现象建模的一个新工具,比传统的数值模拟方法有许多独特的优点,特别是在处理复杂边界方面.并应用LBM对动脉分叉的流场在不同雷诺数情况下进行模拟,给出了速度、剪切应力和压力在分叉处的分布,并且分析了分支管内流体分离区的存在.流体在分离区内几乎处于停滞状态,剪切率非常小,容易在此处形成动脉粥硬化.     

晶格Boltzmann方法模拟流体在三维圆管的流场

简要介绍了三维D3Q19晶格Boltzmann方法(LBM)及其常见几种的边界条件,并通过模拟有精确数学分析解的三维圆管的流场分布,证明了LBM方法可以精确模拟流场的分布,且算法简单、边界易处理、适合并行处理等,还给出LBM在不同边界条件和格子数的模拟精度.结果显示Mei等改进的曲线边界条件能够提高模拟精度,而反弹边界条件尽管算法简单且易处理,但模拟精度要低一个数量级.模拟中,应根据所取的弛豫时间和入口、出口之间的压强差选择合适的格点数,格点数太少影响模拟精度,太多不仅增加计算量,而且也不会提高模拟精度.     

基于OpenFOAM的周期性管内流动边界处理方法研究

为探究开源计算流体力学软件OpenFOAM中不同周期性边界条件处理方法的适用性,针对圆管内泊肃叶流动,分别在mapped,cyclicAMI,cyclic fan边界条件下开展数值模拟,对模拟得到的速度分布和压力分布进行分析.结果表明:3种边界条件设置下,数值模拟得到的速度分布均与解析解吻合,其中mapped和cyclicAMI边界条件下的数值解非常接近,且与解析解吻合更好;采用mapped边界能够得到与解析解符合的压力场,采用cyclic fan边界时在模拟区域进、出口存在很大的压力梯度,采用cyclicAMI边界得到的压力则恒为0.基于此,探讨了mapped边界条件下,数值模拟结果对计算网格的敏感性.研究发现:随着径向网格数目的增加,速度的计算精度先迅速提高而后趋于稳定;边界层层数的增加能够有效提高近壁区速度的计算精度;数值模拟时径向网格数目采用16个以上为宜,边界层层数不宜少于3层.     

三维低雷诺数后台阶流动的Lattice Boltzmann Method模拟

Lattice Boltzmann Method (LBM) 是近年来兴起的新型流体计算方法,该方法已成功应用模拟各工程中的流体流动.本文利用该方法研究在低雷诺数的不同雷诺数下三维后台阶流动的计算,并与前人的研究结果进行了比较,计算表明:与传统的计算流体力学方法相比,该方法具有极易处理复杂的边界条件和卓越的并行计算性能.已证明该方法在模拟恒温、不可压和低雷诺数条件下的流体流动时,有非常好的计算精度.     

格子Boltzmann方法在非牛顿流体研究中的应用

建立了用于非牛顿流体的格子Boltzmann方法，通过Chapman-Enskog展开和多尺度技术，并选择特定的平衡态分布函数的形式，可以得到非牛顿流体流动 的宏观Navier-Stokes方程，并且流体满足宾汉模式的本构关系。     

分步退火及初始晶粒对Hastelloy C-276合金晶界特征分布影响

不同初始晶粒尺寸的 Hastelloy C-276 合金经冷轧变形后,分别采用一次退火和二次退火方法进行热处理,其晶界特征分布采用电子背散射衍射技术进行表征.结果表明,初始较大晶粒组织有利于晶界特征分布的优化,特殊晶界比例比小尺寸晶粒组织提高了近10%,达到了78.8%,同时形成了平均尺寸为200μm晶粒团簇组织.在相同晶粒尺寸条件下,采用二次退火工艺可以明显改善合金的晶界特征分布,∑3^○n晶界比例得到较大幅度的提高,并形成了良好的团簇组织.这是由于较多的非共格∑3晶界,容易产生∑9和∑27晶界,从而形成更多的三叉晶界,阻断了大角度晶界的连通性.     

MRT-LBM三重网格局部加密算法研究

应用MRT-LBM计算流场中运动粒子上的力和力矩时，可使用三重网格局部加密方法来提高计算结果的精度.将流场计算区域划分为互不重合的粗糙区、过渡区和加密区，相邻区域界面重合节点上的物理参数如密度、速度和应力等保持连续，不同区域的分布函数通过过渡区边界点进行传递，运算程序采用碰撞-迁移算法，给出了数据的初始化过程和加密的网格结构.通过对含非对称放置的粒子Couette流动，分别采用标准Boltzmann、全场加密、局部二重加密和三重加密的4种网格进行计算.数值计算结果表明，三重网格加密算法减少了计算结果的波动.对方腔流顶盖下方左右奇异角落处应用三重局部网格加密，结果显示，对雷诺数1 000的方腔流动，沿腔中心线的速度分布与经典文献结果对比效果良好，压力轮廓图的噪声明显降低，应力振荡明显减少.模拟结果证实了所建立的局部加密方法的有效性.      

Efficient parallel implementation of the lattice Boltzmann method on large clusters of graphic processing units

Many-core processors, such as graphic processing units (GPUs), are promising platforms for intrinsic parallel algorithms such as the lattice Boltzmann method (LBM). Although tremendous speedup has been obtained on a single GPU compared with mainstream CPUs, the performance of the LBM for multiple GPUs has not been studied extensively and systematically. In this article, we carry out LBM simulation on a GPU cluster with many nodes, each having multiple Fermi GPUs. Asynchronous execution with CUDA stream functions, OpenMP and non-blocking MPI communication are incorporated to improve efficiency. The algorithm is tested for two-dimensional Couette flow and the results are in good agreement with the analytical solution. For both the oneand two-dimensional decomposition of space, the algorithm performs well as most of the communication time is hidden. Direct numerical simulation of a two-dimensional gas-solid suspension containing more than one million solid particles and one billion gas lattice cells demonstrates the potential of this algorithm in large-scale engineering applications. The algorithm can be directly extended to the three-dimensional decomposition of space and other modeling methods including explicit grid-based methods.     

二元链状分子吸附的Monte Carlo模拟

在格子模型中，采用计算机模拟方法了二元链状分子系统在固体表面的吸附行为。从微观角度获得了系统在达到平衡之前的动态吸附过程，得到了链长不等的两种键状 固体表面附近的总链节浓度与吸附构型浓度的平衡分布。研究结果表明，开始时，短链分子优先被吸附，此后逐渐被长链分子所取代；长链分子的吸附更有利于系统的稳定。     

一种曲边界处理的格子Boltzmann模型

本文提出了一种曲边界条件处理的格子Boltzmann模型。在模型中,计算边界点的平衡态分布函数由物理边界点的宏观量确定;计算边界点的非平衡态部分可由非平衡态外推方法与插值方法确定。对圆柱绕流进行了数值模拟,计算结果与前人结果吻合较好,表明该模型是可行有效的。     

垂直转子轴式微型泵的LBM模拟

为了对垂直转子轴式微型泵内部流动规律进行深入研究,采用格子Bo ltzm ann法(LBM)对该微型泵全流场进行了数值模拟。采用基于插值公式及固壁处动量平衡的弯曲固壁统一边界条件和移动边界条件,对具有圆、椭圆、互垂直双椭圆等3种不同截面形状转轴的微型泵内部流动进行了定常与非定常的计算,得到了微型泵进出口处平均压差、出口处平均量纲一化速度随时间的演化过程。结果表明:随着R eyno lds数的减小,流体的粘性作用不断增大,垂直转子轴结构可对流体进行更加有效的输送;圆形截面转轴比椭圆和互垂直双椭圆截面转轴具有更好的泵送性能。     

基于环境剖分的层次拓扑地图及路径规划

针对基于拓扑地图的移动机器人路径规划问题,提出一种层次拓扑地图及相应的路径规划方法——边界方位法。层次拓扑地图分为剖分层和边界层,剖分层以环境剖分为拓扑节点,边界层以剖分的边界为拓扑节点。边界方位法首先在剖分层生成由剖分构成的路径序列,再将边界层转化为由边界构成的路径序列,最后根据机器人当前位置及边界之间的方位荚系实时生成实际路径。由于定义了边界之间的方位关系,使得机器人能够根据边界序列路径中的下一边界与当前边界的方位关系确定当前的运动方向,从而实现了实际路径的优化。理论分析和仿真实验均表明,该方法在增加少量存储信息的基础上,获得了较好的路径规划效果。     

提升离心泵小流量工况数值模拟精度的进口边界设置

为提高离心泵小流量工况下性能参数的预测精度,参考关死点工况数值模拟研究的现有文献,将一种开口边界作为吸水管进口条件应用于某离心泵的多个小流量工况,以试验测量结果为基准,与常规进口边界设置下的计算结果进行了性能参数及泵内流场的对比分析,研究了不同边界设置对于不同工况的适用性。结果表明:以吸水管进口处是否存在回流为判别标准,对于存在明显回流的工况,采用开口边界可以大幅提升扬程等性能参数的预测精度,而对于入流均匀无回流的工况,常规边界条件即可满足工程计算精度要求;采用开口边界可以在吸水管进口处释放回流而避免形成虚假漩涡,保证水力损失的合理预估,进而得到更为精确的离心泵特性曲线。因此,在计算离心泵的完整特性曲线时,可首先采用常规边界条件进行全工况的数值模拟,再根据进口回流情况调整进口边界设置,对少数小流量工况进行二次计算,确保特性曲线形状符合真实情况。     

热流固耦合动态边界理论研究

基于Biot理论,推导了考虑热渗流作用的热流固耦合问题的基本方程,建立了本问题的热渗流模型,给出了所考虑问题的热流体动力弥散分布概率及各项系数的表达式,进一步建立了微压热液体位移场,讨论了热流体动力弥散因素对多孔介质边界的影响,建立了描述多孔介质的动态边界方程,针对不同的外部因素,分别建立了4种边界模型,并进行了动态模拟.     

小浪底河段浑水流动的三维数值模拟

基于湍流随机理论,针对黄河中游小浪底工程建成前的河段水沙流动特点,建立了河流的三维水沙流数学模型。在此模型中,采用了各向异性湍流的Reynolds应力数值格式和自由面位置的Poisson方程,并将精细壁函数应用于边壁处理。建立了床面附近含沙量表达式,将传统的床沙级配控制方程推广到三维模型。在贴体坐标系下,用此数学模型计算了此河段的含沙量和流速沿河宽和垂线分布,计算结果与原型实测成果基本吻合,从而证明了此模型的可行性,以及计算方法和程序的可靠性。     

Application of the lattice Boltzmann method to electrohydrodynamics： Deformation and instability of liquid drops in electrostatic fields

It is attractive and meaningful to apply the lattice Boltzmann method (LBM) to electrohydrodynamic (EHD) problems. As an important and fundamental problem in EHD, the behavior of freely-suspended liquid drops subjected to electrostatic fields was simulated with a 2-D LBM by means of the permittiv- ity-density relation proposed by the authors and Peng’s multiphase LBM which can obtain high liquid-to-vapor density ratio and low liquid-phase compressibility. The phenomena and laws of deformation, especially the instable behavior of the liquid drops were well simulated. And two important critical parameters, i.e. the critical permittivity ratio and the critical electric-field strength were obtained. These results agree with the corresponding theories and experiments. The simulations show the particular advantages and potential of the LBM in studying multiphase electrohydrodynamic problems.     

液滴撞击液膜喷溅过程的LBM模拟

气液两相流动现象广泛存在于自然界和工程应用中,而液滴撞击液膜后产生喷溅的过程则是这一类问题的典型代表.采用格子Boltzmann方法（LBM）对上述过程进行了数值模拟.采用基于“单相”（single-phase）模型的LB两相流方法计算得到了3组Reynolds数（Re）和Weber数（We）组合下液滴撞击液膜后所产生的3种效应.结果表明,随着We数和Re数的不断增大,液滴撞击液膜后将产生铺展、喷溅以及喷溅并伴有小液滴脱落等不同现象,计算所得的结果与实验及理论分析的结果相吻合,表明了LBM研究气液两相流动问题的可行性.