包含导热颗粒热流动的格子波尔兹曼数值研究

摘要

颗粒状粒子与流体相互作用现象广泛存在于化工领域，航空航天工程，环境工程，地质学和生物学等工程领域中，但现阶段人们对流体与粒子间的相互作用机理以及颗粒对流体热流动现象的影响机理并不完全了解,因而，本文采用基于动量交换方法的浸没边界格子玻尔兹曼方法,并引入热通量矫正法处理温度边界,对管道内颗粒流的动力学特性和包含颗粒导热的热流动现象进行了系统的研究。本文研究工作的主要贡献包括以下几个方面：
　　首先,为了进一步探究颗粒在倾斜通道中沉降过程中的动力学特性,同时也着重考虑探索相邻颗粒间相互干扰机制,对两、三个刚体圆形颗粒的沉降问题进行进一步计算分析,主要研究通道倾斜角度的变化和雷诺数变化对颗粒沉降过程的影响机理。
　　其次,对管道内颗粒在从下至上的逆向流作用下的动力学特性进行了分析，并着重模拟分析了颗粒间以及颗粒与流体之间的相互耦合影响,数值研究的结果首次验证了流体实验中所发现的“蛙跳现象”,同时首次从流体力学角度解释了“蛙跳现象”产生的机理,并进一步系统探究不同因素对“蛙跳现象”影响；
　　最后,对流体中包含悬浮颗粒自然对流传热的影响机理进行了计算分析,通过将不添加颗粒的数值结果同添加颗粒后的计算结果进行对比分析，研究结果发现当添加一定数量的导热颗粒或者增大 Ra数后都能提升热流的导热性能。为后续计算研究和试验测试平台的搭建提供了理论与工作基础。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2研究现状

1.3 本文主要研究内容及结构安排

第2章 格子波尔兹曼方法基本模型

2.1 单松弛波尔兹曼方法

2.2 热格子波尔兹曼模型

2.3 边界条件

2.4本章小结

第3章 浸没边界法及热通量校正法

3.1 基于动量交换的浸没边界法

3.2 颗粒的碰撞模型及位移更新

3.3 温度边界通量矫正法

3.4 本章小结

第4章 颗粒沉降问题研究

4.1 物理模型参数

4.2 算例1—圆柱绕流模型

4.3算例2—横向振荡的圆柱模型

4.4例3—两圆形颗粒下落

4.5通道倾角变化的影响

4.6 Re数变化的影响

4.7颗粒直径不均匀性的影响

4.8本章小结

第5章 管道内颗粒流的动力学分析

5.1 三个颗粒在倾斜管道中并排沿着流动方向运动的动力学特性

5.2当前仿真所捕捉到的“蛙跳”现象

5.3 通道倾斜角度的影响

5.4 通道Re数的影响

5.3 本章小结

第6章 方腔导热颗粒传热性能数值研究

6.1 算例1—方腔自然对流

6.2 算例2—热圆柱强制对流

6.3 包含导热颗粒的自然对流

6.4 本章小结

总结

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的工作成果

个人简历