大血管中血液流动的LBM模拟

真实的血液系统一般都具有复杂的几何边界.利用曲线边界条件构建二维血管中血液流动的格子Boltzmann模型,并对Poiseuille流和血液在肺部大血管中的流动进行了数值模拟,数值结果和解析解符合得很好,充分说明了该模型的有效性.所构建的模型可望进一步推广应用于具有复杂几何边界的一般流体系统运动的数值模拟.     

有限体积法与LBM分区耦合模拟方腔自然对流

在已有的密度分布函数重构算子的基础上,推导出了温度分布函数的重构算子,解决了格子Boltzmann方法(LBM)与有限体积法耦合计算传热问题的关键难题.选二维方腔自然对流对耦合方法进行了考核.在瑞利数Ra=103~106范围内,耦合结果同商业软件FLUENT结果符合得很好,并且各物理量在耦合界面处连续且光滑过渡.通过残差曲线可以看出,耦合模型在密网格以及大瑞利数情况下,数值稳定性要好于单一LBM.     

基于GPGPU的LBM障碍绕流的实时模拟

基于显卡的通用计算(GPGPU)是近年来并行计算和快速绘制的热点.格子Boltzmann方法(LBM)作为流体动力学的新方法,其并行性好,常常用于基于物理的流体模拟,且具有适用于复杂边界障碍的特性,但计算较为复杂.利用GPGPU技术来加速LBM的流体计算模型,构建了基于图形处理器(GPU)的流体计算框架,实现了格子Boltzmann计算的D2Q9和D3Q15模型,并用于实时的障碍绕流模拟.     

致密多孔介质中气体非达西现象的LBM模拟

针对气体在致密多孔介质中低速渗流时,其渗流规律在渗流曲线的低压段表现出对达西定律线性关系的偏离,存在着非达西现象。采用格子Boltzmann方法,研究气体和多孔介质的特性对气体渗流Klinkenberg效应的影响因素。结果表明:在气体渗流曲线的低压力梯度段,随着气体黏度系数、净围压、渗透率和孔隙率的变小,渗流曲线的非线性临界点向压力梯度增大的方向移动,对达西定律线性关系的偏离更明显。说明在低渗和低压情况下Klinkenberg效应不能被忽略,气体黏度系数和孔隙率对Klinkenberg效应作用有影响;当净围压或渗透率很大时,气体渗流流量和压力梯度符合达西定律线性关系。     

格子Boltzmann方法模拟磁场作用下的融化传热过程

采用格子Boltzmann方法对磁场作用下方腔内相变材料的融化传热及液相流体流动过程进行数值模拟,重点分析磁场倾角对融化相变传热过程的影响,为实现相变传热的主动控制技术提供参考.研究表明磁场可以控制融化相变传热过程,当磁场倾角大于180°时,磁场加速度方向指向热壁面方向,磁场强化换热,热壁面平均Nu_h数增加,融化速率加快;当磁场倾角小于90°、磁场加速度方向指向冷壁面侧时,磁场弱化换热,热壁面平均Nu_h数下降,融化速率降低;磁场倾角为231°时,磁场强化传热效果最佳.     

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.     

一种微型泵的设计

设计了一种可灵活应用于微量分析系统的微型泵,详细分析了其结构和工作原理,说明了主要的制造工艺,并给出了它在精密化学分析中的应用实例,最后总结了它的优缺点。该微型泵采用硅微细加工技术制作,使用了电磁制动无阀式结构的设计方案,并使用双向驱动方式提高效率。该微型泵具有可靠性高、寿命长、体积小、成本低等优点,充分满足了分析系统小型化、利于批量生产和降低成本的要求。     

低Reynolds数下单排方柱绕流尾迹涡型的LBM模拟

针对工程中遇到的周期柱体绕流问题,采用格子Boltzmann方法(LBM)对低Reynolds数下单排周期排列方柱的定常绕流进行数值模拟,详细分析了柱体后面的尾迹涡型随着Reynolds数的变化情况,并通过对不同Reynolds数下尾迹涡型结构的分析,得到了二射流、三射流和四射流发生合并现象的临界Reynolds数,其中二射流出现合并的临界Reynolds数与文献的数值模拟结果一致,三射流和四射流出现合并的临界Reynolds数则偏大,但更接近实验结果。     

外环流旋转活塞泵转子加工形线的确定

针对在外环流旋转活塞泵转子的加工中传统经验方法存在的不足之处 ,提出了对转子加工形线的一种全新的确定方法顶点曲率圆法 .通过对转子理论形线的分析 ,给出了确定转子理论参数的方法 .同时对顶点曲率圆法作了详细的推导 ,得到了由转子理论参数确定转子加工参数的方法     

LBM与宏观数值方法界面信息耦合的重构算子

基于数学上的多尺度逐级逼近,给出了一种简单并且有效的方法来通过宏观物理量重构格子Boltzmann方法(LBM)的单粒子分布函数.所给出的重构算子为工程中基于宏观和介观模型的多尺度计算奠定了基础.通过耦合有限体积法(FVM)和LBM对顶盖驱动流进行数值计算,考核了此重构算子.计算结果与文献结果符合很好,并且耦合区域流线光滑过渡,速度矢量精确重合.计算结果证明,文中提出的重构算子可以准确有效地应用于LBM和宏观方法的耦合计算,并且其实施简单.     

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…     

Simulation of mesoscale interfacial properties using the lattice Boltzmann method

We derive the mesoscopic interparticle potentials from macroscopic thermodynamics for van der Waals, Redlich-Kwong, and Redlich-Kwong-Soave equations of state and find that all these potentials are very similar to the Lennard-Jones potential. To in-vestigate the interfacial property at the mesoscale level, we incorporate free energy functions into the single-component multiphase lattice Boltzmann model and obtain the saturated density coexistence curves and interface mass density profiles across the interface using this method with different equations of state. The simulation results accurately reproduce the properties of equilibrium thermodynamics. Numerical results for single-component phase transitions indicate that a bubble-growth process is obtained and the equilibrium phase diagram is achieved at a given temperature. Bulk free energy, the interfacial energy coefficient, and other properties of nonequilibrium thermodynamic parameters, which are used to examine interfacial properties, are obtained in these simulations, and all these parameters are found to obey irreversible thermodynamics.     

用lattice Boltzmann方法模拟矩形竖腔内混合对流

用lattice Boltzmann方法(LBM)模拟了纵横比(高度与宽度之比)大于1的矩形竖腔内同时存在自然对流和强制对流的混合流动时流场与温度场分布.比较了不同雷诺数(Re)、瑞利数(Ra)下矩形腔的流场分布在不同纵横比时的特点,研究了这些参数值对混合对流换热的影响,提出混合对流存在时Re和Ra对流动和换热的影响可由Richardson数(Ri)综合反映,并得到在不同纵横比时平均Nusselt数(Nu)随Ra和Re的变化关系式.与常用的LBGK模型不同,用了LB力矩模型.     

Simulation of phase transition process using lattice Boltzmann method

A new lattice Boltzmann model based on SC model, is proposed to describe the liquid-vapor phase transitions. The new model is validated through the simulation of the one-component phase transition process. Compared with the simulation results of van der Waals gas and the Maxwell equal-area construction, the results of the new model have a better agreement with the analytical solutions than those of SC and Zhang models. Since the obtained temperature range and the maximum density ratio in this model are expanded, and the magnitude of maximum spurious current is only between those of SC and Zhang models, it is believed that this new model has better stability than SC and Zhang models. Consequently, the application scope of this new model is expanded compared with the existing phase transition models. According to the principle of the corresponding states in engineering thermodynamics, the simulations of ammonia and water phase transition process were implemented using this new model with different equations of state. Compared with the experimental data of ammonia and water, the results show that the Peng-Robinson is the best equation of state to describe the phase transition process of ammonia and water. Especially, the simulation results of ammonia with Peng-Robinson equation of state have an excellent agreement with its experimental data. Therefore these simulation results have a significant influence on the real engineering applications.     

利用格子Boltzmann方法计算页岩渗透率

针对页岩中孔隙主要分布在纳米尺度的特点,建立Knudsen数修正固体边界并考虑镜面反弹的格子Boltzmann模型。利用二维平板模型,考察Knudsen数对渗透率的影响,得出在一定误差条件下,须考虑Knudsen数修正的最大孔隙宽度。由页岩的SEM扫描图像重构得到三维数字岩心,利用新模型进行模拟流动,并计算得到绝对渗透率。结果表明:利用Knudsen数修正后,通道中间部分流体速度增大,固体边界处速度变小;压力不变,随着孔隙直径变小,Knudsen数增大,渗透率变小。     

二维方腔内热表面张力流的格子Boltzmann方法模拟

热表面张力驱动的对流是微重力下浮区法晶体生长中熔体最重要的物质与热输运方式。采用单松弛双分布函数格子Boltzmann模型,自主开发了相应的格子Boltzmann方法的串行和MPI并行程序包,并应用该程序包对开口方腔内流体的二维热表面张力对流进行了数值模拟研究。其中串行程序合并碰撞迁移过程和引入临时数组以连续读入分布函数,相比分开碰撞迁移过程,计算性能提高了二倍;在此基础上,采用单向计算区域分区和非阻塞通信模式,实现了MPI版格子Boltzmann并行程序包开发。对比基于传统有限体积法CFD程序计算结果表明,串行和MPI并行版格子Boltzmann程序包计算结果精确可靠;并行程序具有较好的性能     

微通道内甲醇重整反应的LB方法

利用格子Boltzmann方法对微通道内甲醇水蒸汽重整制氢反应过程进行模拟,建立了双速率动力学平行反应机理的格子演化模型。分析了边界温度和进口流速的变化对甲醇转化率,氢气和一氧化碳的出口含量以及通道中的最大温差的影响。当边界温度和进口速度一定时,分析了整个反应过程中各组分的变化情况。结果表明,在水醇比,边界温度以及进口速度分别为1.3、523 K、0.1 m/s的情况下:甲醇出口转化率最高达94.36%;氢气的含量为0.0989;CO的含量为0.0095%。发现随边界温度升高,进口流速的减小,CO的含量会进一步增加。     

基于多松弛格子Boltzmann方法插值反弹运动边界研究

采用多松弛格子Boltzmann方法,结合曲边插值边界处理方法,在固定笛卡尔坐标系均匀网格下,模拟了运动圆柱绕流问题.结合非平衡外推思想,提出了一种新的预估格点分布函数的方法:通过"圆柱表面垂直方向附近的流场内格点的密度和圆柱的速度"构造平衡分布函数,并将其作为新生成格点的分布函数.利用对绝对误差的频谱分析技术,与现有两种方法(基于平均和预估思想)对比结果显示:新提出的方法在具有更高的精度的同时,可以保证仅需要流体域内较少的流动信息,从而为流体内的颗粒碰撞等问题提供了有利条件.通过误差频谱结果,进一步对相应方法中的误差根源进行了讨论,为进一步改进方法提供了依据.对相同雷诺数下加大一倍流场区域的计算结果表明,加大网格可以减小升阻力误差在低频时频谱幅值.     

用LBM方法模拟壁面驱动粘性不可压半圆形空腔流

基于格子Boltzmann方法(LBM)数值模拟壁面驱动的粘性不可压半圆形空腔流. 采用具有二阶精度的曲线边界处理方法, 得到了不同雷诺数下的流线图、 涡线图及速度分量沿半圆形中心线的分布. 在小雷诺数的条件下, 流动状态仅由一个涡组成; 随着雷诺数的增加, 出现一个二级涡, 涡的大小与雷诺数有关. 数值结果表明, 格子Boltzmann方法简单有效, 适合处理该问题.     

基于格子Boltzmann方法的液力

研究了基于格子Boltzmann方法(LBM)的液力变矩器导轮内流场数值计算理论与方法.首先,提出了LBM中处理旋转周期性边界条件的方法.然后,分析了LBM中各项参数对于计算稳定性以及计算效率之间的影响.为了保证粒子迁移与碰撞计算的稳定进行,必须合理选定弛豫时间τ,从而避免在计算过程中平衡态分布函数feq出现负值的情形.此外,在LBM中运用大涡模拟(LES)可以降低计算稳定性对于弛豫时间τ选取的限制,在一定程度上提高计算效率.最后,在开源代码Palabos的基础上进行功能拓展,实现导轮内流场的仿真计算,得到了导轮尾迹区域瞬时非定常流动分布特征.结果表明,LBM与传统计算流体力学(CFD)方法相比,液流对导轮作用力的计算结果在数值上较为接近.然而,使用LBM可以获得详细流场形成过程的时间历程以及局部复杂的流动细节.