浅水流的格子玻尔兹曼方法

本书为现代数字技术的专著。这种科学技术是应用于具有湍流或不具有湍流的浅水流系统的格子玻尔兹曼（Bohzman）方法。这种方法只需要简单的微观方程来决定其深度和速度，而这又是基于其宏观性质。这一方法对于流体工程中的设计和处理很有效用，既可供研究和应用参考，也可用于教学。     

三维树冠的结构参数与阻力特性的关系

为深入研究树冠结构形态参数对树冠流动阻力的影响,采用风洞试验对八角金盘、构树、女贞、木芙蓉及梧桐5种树冠结构差异较大的典型树种进行研究,探讨树冠层结构参数中填充率与叶面积指数、光学孔隙率、分形维数之间的关系。采用多元回归分析法,给出5种树冠流动阻力与光学孔隙率和风速的关系表达式。结果表明:叶面积指数与填充率呈线性关系,光学孔隙率、分形维数均与填充率呈幂指数函数关系;树冠流动阻力与光学孔隙率和风速呈非线性关系。     

基于格子玻尔兹曼方法的室内颗粒运动模拟

为了研究颗粒直径和密度对其室内运动和沉积的影响,该文基于格子玻尔兹曼方法的标准k-ε模型对二维室内湍流空气进行数值模拟,使用拉格朗日方法对颗粒运动进行模拟。结果表明,当颗粒密度一定时,底部的颗粒沉积数随颗粒直径的增大而增加,而顶部的颗粒沉积数随颗粒直径的增大而减少。大直径颗粒密度的变化对颗粒的沉积影响较大,密度大的颗粒易在房间底部沉积,密度小的颗粒更易在房间顶部沉积。当直径较小时(0.05μm),颗粒密度的变化对颗粒沉积基本没有影响。     

基于格子玻尔兹曼方法的碳酸盐岩数字岩心渗流特征分析

基于不同分辨率的碳酸盐岩二维扫描电镜(SEM)图片,利用模拟退火法分别建立相应的大孔隙和微孔隙数字岩心,提出一种新的叠加耦合方法,构建能反映不同尺度孔隙特征的碳酸盐岩数字岩心,利用格子玻尔兹曼方法对数字岩心的渗流特征进行分析。结果表明:模拟退火法构建的数字岩心能够较好地表征真实孔隙之间的连通特性;叠加后的数字岩心能同时描述大孔隙和微孔隙特征,其渗透率(1.64×10-3μm2)均大于大孔隙数字岩心(1.12×10-3μm2)和微孔隙数字岩心(0.036×10-3μm2),微孔隙虽然本身渗透率很低,但对提高整个碳酸盐岩数字岩心的连通性有重要作用。     

基于格子玻尔兹曼方法的化学驱色谱分离机制

多组分化学复合驱过程中色谱分离现象普遍存在,导致化学剂在地层运移过程中的质量浓度比例与实验室优化的质量浓度比例存在差异,影响最佳的驱油效果。采用格子玻尔兹曼方法,考虑多组分化学剂在多孔介质中渗流的路径运移差异、扩散运移差异、竞争吸附等机制特征,建立孔隙尺度的化学驱模拟方法,研究化学驱中的色谱分离问题。基于二维多孔介质刻蚀模型,以两种表面活性剂为例,定义无因次突破时间、无因次质量浓度分布区间、无因次质量浓度峰值和无因次质量浓度峰值时刻4个指标对色谱分离规律和机制进行研究。结果表明:扩散运移差异是色谱分离现象的主要成因,扩散系数和注入速度是无因次突破时间差异的主控因素,最大吸附量和扩散系数是化学剂质量浓度峰值差异的主控因素。     

基于格子玻尔兹曼方法的致密砂岩驱替模拟

基于数字岩心建模方法和格子玻尔兹曼方法,开展致密砂岩水驱模拟研究,分析致密砂岩水驱微观过程和机制。首先利用大庆油田龙虎泡地区高台子组致密砂岩CT扫描数据,建立三维数字岩心模型;然后利用Shan-Chen格子玻尔兹曼方法,建立油水两相驱替数值模型;之后对比分析不同注入速度和注入压力条件下驱替效率、换油率与驱替参数的关系,并给出致密砂岩三维微观孔隙尺度的驱替过程。结果表明:相同累积注入量条件下,提高水驱注入速度和驱替压差可以提高最终驱替效率;水驱注入速度和驱替压差存在驱替效率拐点;恒速水驱的平均最终驱替效率为49.6%,恒压水驱的平均最终驱替效率为47.3%。     

基于格子玻尔兹曼方法的可激发系统物理性质研究

基于格子玻尔兹曼方法的D2Q9模型,研究可激发系统的能量和熵.数值计算结果表明:相同系统参数下,不同稳定波态系统的平均能量值接近,但熵值不同;在螺旋波失稳进入混沌态过程中,系统内能急剧减少,熵值增加;系统能量不足是螺旋波失稳的主要原因.     

基于格子玻尔兹曼方法的双液滴撞击壁面液膜的热特性演化过程

为了研究并排双液滴撞击覆有液膜的高温壁面过程中壁面热流密度分布特征,基于水热耦合双分布函数格子玻尔兹曼伪势模型,探究了液滴间距、撞击速度和液相黏滞系数在不同时刻对壁面瞬时热流密度分布的影响。结果表明：低温液滴的扩散与下潜导致撞击区和中心射流区的壁面与液膜之间的温度梯度上升,引起撞击区和中心射流区壁面热流密度骤增。撞击区传热形式以对流传热为主,静态区受液冠处速度不连续性影响,其传热形式以扩散传热为主。双液滴撞击速度增大导致液滴下潜和扩展程度加深,液膜内部对流传热增强。双液滴间距增加引起双液滴内侧液冠在液膜内扩展空间增大,造成瞬时壁面高热流密度区域面积增加,利于散热。此外,更大的液相黏滞系数增大了液滴撞击液膜过程中的黏滞耗散,降低低温液滴的下潜程度和撞击区的液膜流场对流强度,导致壁面热流密度峰值减小。     

基于格子玻尔兹曼方法的自仿射粗糙裂隙渗流模拟

基于格子玻尔兹曼方法模拟研究了自仿射粗糙裂隙的渗流特征.通过连续随机叠加技术,生成了不同粗糙指数的自仿射粗糙裂隙.为验证格子玻尔兹曼方法,将格子玻尔兹曼结果与泊肃叶流解析解对比.通过格子玻尔兹曼方法与自仿射粗糙裂隙技术的结合,成功模拟了粗糙裂隙内部的流场分布,并分析了粗糙裂隙内部的渗流路径与水力等效隙宽的变化.结果表明,不均匀的隙宽分布对裂隙的流场分布影响较大;尽管两组裂隙内部的Re一致,但其最大流速有一定差异.     

基于格子玻尔兹曼方法的多型绕流数值模拟

格子玻尔兹曼方法作为一种新颖的计算流体动力学方法,能够模拟多种复杂的流体问题.本文简要介绍了格子玻尔兹曼方法基本理论与它最重要的LBGK模型及其边界条件.应用格子玻尔兹曼方法对6种不同形状的障碍物以及同一障碍物分别在3种不同雷诺数下的绕流进行了数值模拟计算,得到了多种形状障碍物绕流在同一时刻的速率分布和涡量分布;对圆柱绕流在一个脱落周期内的变化进行了分析;对棱柱在不同雷诺数下的绕流速率与涡量分布进行了对比.结果表明,格子玻尔兹曼方法计算稳定可靠,效率高,是计算流体动力学强大的数值模拟方法之一.     

沙纹床面振荡流边界层的三维格子玻尔兹曼模拟研究

将壁面自适应局部涡黏(WALE)模型引入三维格子玻尔兹曼模型,对沙纹床面上的振荡流边界层运动进行了模拟,并与Smagorinsky模型的模拟结果进行了比较.结果表明,在振荡流沙纹床面模拟中,WALE模型与Smagorinsky模型均获得与已有实验结果吻合较好的垂向流速剖面,但WALE模型可以更好地反映粗糙紊流的特性.引入WALE模型的LB模型模拟得到的沙纹床面形状摩阻系数和肤面摩阻系数结果与前人数模结果一致,床面总摩阻力中形状摩阻相比肤面摩阻占主要部分.该模型可进一步应用于振荡流作用下沙纹床面紊流边界层运动特性的系统研究.     

树冠微观尺度流动阻力特性分析

采用可视化Basic程序设计语言(VBA)建立虚拟的三维树冠模型,并使用计算流体动力学(CFD)模拟的方式,研究了不同孔隙率和风速下,树冠内部的流场特征和流动阻力.用光学孔隙率及体积孔隙率来表征树冠复杂的形态结构,并讨论了树冠形态结构参数对树冠流动阻力的影响规律.结果表明,树冠的阻力系数与光学孔隙率满足近似二次多项式关系,通过对数值模拟计算结果回归分析,给出树冠流动阻力系数与光学孔隙率的关系式,在真实条件下树冠阻力系数的试验数据对比的基础上,提供了一个对真实树冠阻力系数进行预测的依据.     

格子玻尔兹曼模拟壁面剪切应力的精度

采用SRT和MRT格子玻尔兹曼模型在反弹和曲线边界条件下模拟了二维斜管中的Poiseuille流,比较了不同斜管倾角、计算网格大小和雷诺数情况下的速度和壁面剪切应力计算误差.结果表明,采用曲线边界条件时,壁面剪切应力值在紧邻壁面的流点处计算精度更高;而采用反弹边界条件,计算壁面剪切应力时考虑到边界楼梯状近似的影响,壁面剪切应力的计算不应该选在离壁面最近的流点上,而应选择离壁面很近但不紧邻边界的流点,同时,MRT模型相对于SRT模型来说模拟结果稍微更精确一些,但没有明显的改进.     

基于格子玻尔兹曼的润湿性对降压效果的研究

改变油藏润湿性和降低油水界面张力是解决低渗/特低渗油田注水压力高问题的有效方法。而室内驱替实验时,表面活性剂浓度不仅影响油水界面张力,还会影响岩石表面润湿性能,无法准确评价表面活性剂的润湿性能对降压效果的影响。格子Boltzmann方法通过控制流体和固体间作用参数能够独立控制界面张力大小,并能够模拟任意接触角变化。因此,基于格子Boltzmann方法,应用二维平板模型,考虑粗糙表面,设置微观梯形结构,研究了毛管数、邦德数及黏度比等不同无量纲数条件下润湿性改变对降压率的影响。结果表明,毛管数越小,邦德数越大、黏度比越大、接触角越小,降压率越高、降压效果越明显;接触角存在一个最佳范围,超过此范围继续降低接触角,降压效果不明显;对于多孔介质,改变润湿性对降压率影响比单通道更加明显。     

土壤下渗问题的格子玻尔兹曼模拟

将一种新的格子玻尔兹曼模型(简称LB模型)应用于土壤水流下渗过程的探讨.在恰当的时间和空间多尺度化方案基础上,给出了Richards下渗方程的LB模型所对应的宏观量和平衡态分布函数形式.通过对扩散方程和线性Richards方程的分析,LB模型的模拟结果与分析解相吻合,并详细探讨了弛豫系数、网格步长和时间步长等参数对计算误差的影响.与Philips解的比较表明,该LB模型可成功应用于非线性Richards下渗方程的求解,并在计算稳定性和处理非线性等方面展现出很好的优点.     

基于浸没边界和格子玻尔兹曼的流固耦合算法

为将格子玻尔兹曼方法(LBM)用于土木工程结构的气动弹性计算,提出了一种基于浸没边界-格子玻尔兹曼(IB-LB)方法的流固耦合算法.该算法在多松弛时间格式的格子玻尔兹曼框架下构造大涡模拟作为流场求解器;采用龙格-库塔法求解结构运动方程.为满足流固耦合面的无滑移性并提高算法的计算精度,采用一种迭代格式的浸没边界实施流固耦合面的数据交换.基于流固耦合算法编制分析程序对矩形断面的横向风振和福斯桥的颤振等气动弹性问题进行了模拟.与现有试验及数值结论的对比分析表明:本文算法可以较准确地预测矩形断面的涡振锁定风速、驰振临界风速及福斯桥的颤振临界风速.     

高雷诺数湍流的熵格子玻尔兹曼方法大涡模拟计算

为了开发基于熵格子玻尔兹曼方法的通用计算流体动力学求解器,建立了熵格子玻尔兹曼方法的大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度湍流模型的计算模型,探究了其进行高雷诺数湍流模拟的有效性,并且尝试展开了基于熵格子玻尔兹曼方法大涡模拟亚格子尺度模型的近壁面研究.得到结论:熵格子玻尔兹曼方法的大涡模拟能够有效进行高雷诺数湍流的数值模拟计算;近壁面处理的Catalano方法对壁面处流场速度的计算结果优于Van Driest方法,而Van Driest方法的优越性表现为模拟计算方法的一致性.     

基于格子玻尔兹曼方法的二维T型微通道内液滴生成

采用格子玻尔兹曼方法中的伪势模型,模拟了密度比近似相同且不互溶的两液相在T型微通道内产生不同形态的液滴,模拟结果与实验结果相吻合。分析了毛细数、两相流量比及两相的黏度比等因素对生成的液滴尺寸和间距的影响,模拟结果所得各种因素间的数值公式也与实验结果相差无几,连续相的毛细数和两相流量比对液滴的尺寸和间距的影响比较大,两相的黏度比对液滴的影响微小。     

树冠流动阻力特性数值模拟与实验研究

为深入分析树冠内部结构参数对树冠绕流流动阻力的影响,采用数值模拟和实验测试相结合的方法研究几种典型形态特征树冠的内部流场特征和流动阻力。用树冠叶面积指数(LAI)、稠密度(SVF)和分形维数(Df)表征树冠复杂的形态结构,讨论树冠形态结构参数对树冠流动阻力的影响规律。研究结果表明:模型叶面积指数与稠密度呈近似线性关系,而树冠分形维数分别与树冠稠密度和叶面积指数满足近似对数关系。通过对数值模拟计算结果回归分析,给出树冠流动阻力系数与叶面积指数的关系式。研究结果表明:真实条件下的树冠流动阻力结果要明显高于二维简化模型的数值计算结果,但二者在变化趋势上表现出较好的一致性;在引入树冠阻力系数修正系数后,数值计算结果与实验结果吻合较好。     

交通流中红绿灯模型的格子玻尔兹曼模型

介绍了一种适用于交通流中红绿灯模型的两格子的格子玻尔兹曼模型.通过最大值原理证明了该模型的稳定性.数值模拟说明了模型的数值解与理论分析的间断解高度吻合,表明了该模型对处理多间断交通流问题是高效和稳定的.