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.     

结合大涡模型的等离子射流Lattice Boltzmann模拟

基于一种结合大涡模型的Lattice Boltzmann方法对等离子体射流湍流流动状态进行模拟，并将模拟结果与实验结果和其他文献的计算结果进行对比。结果表明，与传统的差分法相比，这种混合Lattice Boltzmann方法收敛速度快，且能获得比较满意的结果。     

Lattice Boltzmann方法理论和应用的新进展

与传统的计算流体动力学方法（如FDM，FEM等）相比，Lattice Boltzmann方法（LBM）具有算法简单，精度高，压力可以直接求解、能够模拟具有复杂边界条件的问题以及适合于并计算等优点，边界条件处理和提高模拟流场Re的新方法，促进了LBM理论的发展和完善，并且在二维和三维的水力学，多相流，热传导以及对流－扩散问题的模拟中获得了广泛的应用。     

基于Lattice Boltzmann方法的方柱绕流模拟

从分子动力论出发,探讨了模拟不可压缩粘性流动的Lattice Boltzmann（LB）方法．根据粒子平衡分布函数和非平衡反弹思想,提出了高效的出口边界条件处理格式．结合区域分裂技术设计了适合集群计算机运算的LB并行算法,并用C＋＋程序语言开发了LB并行计算程序．通过对不同雷诺数时的方柱绕流模拟,验证了本文方法的有效性,同时详细分析了雷诺数对方柱绕流特性的影响．     

纳米颗粒吸附微管道水流特性的格子Boltzmann方法模拟

纳米颗粒吸附可以显著降低微管道的水流阻力.针对纳米颗粒吸附毛细管流动试验特征,引入速度滑移边界条件,采用Lattice Boltzmann(LB)模型分别模拟了纳米颗粒吸附前后的毛细管流动状态.结果表明,柴油处理前,毛细管内的去离子水流动规律满足N-S方程;纳米颗粒吸附后,毛细管道壁面的润湿性发生改变,边界上产生了滑移速度,纳米颗粒吸附产生的理论滑移长度达到85 nm.数值模拟结果与试验数据、理论数据吻合较好,表明LB方法数值模拟具有相当精确的可预测性.     

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.     

三维斑图形成的格子Boltzmann方法模拟

该文给出了模拟三维反应-扩散方程组的格子Boltzmann方法的Lattice Bhatnagar Gross Krook（简记LBGK）模型D3Q7.并用该模型模拟了氯—碘—丙二酸反应动力学模型中的图灵斑图和螺旋波斑图的形成.     

基于格子Boltzmann方法的固定方柱绕流研究

研究了格子Boltzmann方法的基本原理和边界条件处理方法,并利用该方法对不同雷诺数下固定单方柱绕流流场进行分析,探究了方柱产生卡门涡街的临界雷诺数和范围,验证了格子Boltzmann方法边界处理和数值模拟的正确性和便捷性.对雷诺数为200时并列双方柱不同分布间距的流场进行了模拟,结果表明,当柱间距为2倍方柱边长时,流体绕流方柱的涡流彼此影响最为明显.     

基于Boltzmann模型方程的平板Couette流计算

将基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法推广应用于Couette槽道流计算,发展可用于槽道流问题的气体运动论边界条件数学模型及数值处理方法,研究建立模拟不同Knudsen数二维低速槽道流动问题的气体运动论数值算法,通过将近连续流到高稀薄区Couette剪切流计算结果与基于微观分子统计模拟的类DSMC值、基于宏观流体力学滑移Navier-Stokes解和线化Boltzmann近似解比较分析,显示出该文发展的介观Boltzmann简化速度分布函数方程数值算法对不同尺度槽道流问题具有很强的模拟能力。     

等离子熔射直接制造可视化仿真软件的开发

根据Lattice Boltzmann方法计算原理,设计粉末运动随机算法,首次建立了等离子熔射直接制造技术LBM和随机算法计算模型,采用面向对象系统设计方法,自行开发了可视化动态仿真软件,分析了软件的结构、功能和实现。     

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.     

波形板内流场的格子波尔兹曼模拟

利用格子波尔兹曼方法模拟了波形板复杂流道的流场,计算了流场的状态。采用的是十三点格子波尔兹曼模型,边界处理成无滑移、反弹边界。结果表明,该模型与其他数值计算方法相比,能更方便地处理边界,因此能有效、精确和稳定地模拟复杂流动现象。     

气体微尺度流动的格子Boltzmann模拟

采用反弹-镜面反射(BSR)组合边界格式的格子Boltzmann方法(LBM)对气体微尺度流动进行了模拟计算，模拟结果能够与已有的研究结果较好吻合.分析了BSR组合边界格式中比例系数的选取与Knudsen数的关系，研究结果表明，当Kn∈(002，016)时，比例系数随Knudsen数的增加呈现先减小后增大的趋势，当Knudsen数约在0055~0072范围内时，比例系数有最小值.在此基础上，对BSR组合边界格式中的比例系数进行了修正，明显改善了数值计算的结果，为微尺度气体流动的LBM模拟提供了参考.     

Lattice-Boltzmann方腔模型的CUDA加速实现

对Lattice Boltzmann方法(LBM)在CUDA下的建模和算法进行了研究,使得该方法在GPU下的计算速度得到提升,大大缩短了计算过程的时间消耗。利用非平衡外推边界条件处理,以LBM方法模拟了D2Q9模型的方腔顶盖驱动流动,采用全局内存和纹理内存存储数据,将模型中9个分布函数存储为二维网格,每个网格分配一个线程,每个线程块包括256个线程,多条线程并行计算。在普通个人计算机上,采用NVIDIA GeForce 9600 GT显卡和CUDA,实现了LBM模拟方腔流动,将计算速度提高到CPU的50倍。     

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。     

新的格子Bhatnagar-Gross-Krook模型求解修正的Burgers方程

随着计算机技术的发展,数值模拟方法求解偏微分方程得到越来越广泛的应用。格子Boltzmann方法是一种新型的模拟方法,由于该方法具有计算效率高、边界条件容易处理、完全并行性等独特的优点,使得它具有广泛的应用领域。利用格子Bhatnagar-Gross-Krook模型来求解修正的Burgers方程,首先用该方法正确的恢复了宏观方程,然后数值模拟了两个具有解析解的修正Burgers方程。把模拟解与解析解进行对比,发现数值解与解析解和前人研究中的数值解都吻合很好。     

桌面计算机上利用格子Boltzmann方法的GPU计算

介绍了在桌面计算机上利用格子Boltzmann方法(LBM)与图形处理器(GPU)计算的发展背景,分析了LBM的标准形式及其天生并行特性的成因,介绍了所采用的CUDA编程模型及Kepler计算架构.为了验证桌面计算机上利用LBM的GPU计算的应用能力,对二维方柱绕流问题进行了数值模拟,并将模拟结果与有限体积法的计算结果进行对比.结果表明:对于方柱绕流问题,GPU计算的模拟计算效率约为CPU计算的3.4倍,桌面计算机上利用LBM的GPU计算具有一定的通用科学计算能力.     

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.     

New boundary treatment methods for lattice Boltzmann method

0　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｓｉｍｐｌｅｓｔａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｌｙｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｌａｔｔｉｃｅＢｏｌｔｚｍａｎｎｅｑｕａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｏｎｅｗｉｔｈｔｈｅＢＧＫ (Ｂｈａｔｎａｇａｒ Ｇｒｏｓｓ Ｋｒｏｏｋ)ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｏｐｅｒａｔｏｒ[1]ｆα(ｒ+ｅαδｔ,ｔ+δ1) -ｆα(ｒ ,ｔ)=1τ[ｆ( 0 )α (ｒ ,ｔ) -ｆα(ｒ ,ｔ) ],α =0 ,1,2 ,… ,ｂ(1)ｗｈｅｒｅｆα(ｒ ,ｔ)ｉｓｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅα ｔｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎ;ｆ( 0 )α :ｔｈｅｃｏｒｒｅｓ…     

LS-DYNA的ALE方法在圆盘击水滑跳中的应用

应用LS—DYNA的ALE方法,建立了击水弹跳有限元模型,并对圆盘击水弹跳现象进行了数值仿真。结果表明方法对研究圆盘击水弹跳现象是有效可行的。在此基础上,对圆盘击水弹跳的主要参数:入水角、俯仰角、初始速度和旋转角速度相互关系进行了仿真分析。给出了圆盘在水面成功弹跳临界速度、入水角与圆盘俯仰角的变化规律和圆盘旋转角速度与弹跳临界速度的关系。方法为研究伴有入水冲击的气/液两相跨介质运动提供了一种可行途径和方法。