基于格子Boltzmann方法的二维自由射流数值模拟

摘要

射流是流体力学研究的重要内容之一,通常是紊流流型,在潜艇排水口、泵喷推进器降噪优化设计中有着重要的研究价值。格子Boltzmann方法是流体运动数值模拟新方法,具有计算效率高、边界施加方便、物理图像清晰等优点。本文选用格子波尔兹曼方法编程对二维自由射流问题进行研究,分析射流场特征,验证格子Boltzmann方法射流模拟的适用性。
　　格子Boltzmann方法是一种介观方法,它从微观角度出发,用粒子分布函数的碰撞和迁移来描述宏观流动现象。本文采用格子Boltzmann方法单松弛模型模拟低雷诺数稳定射流,高雷诺数湍射流则采用大涡模拟与格子Boltzmann算法相结合的多松弛大涡模拟模型,雷诺数从变化范围10~100000。通过与CFD常用软件Fluent计算结果对比,验证格子Boltzmann方法射流模拟的可行性。同时讨论了雷诺数变化、管长变化对二维自由射流场的影响,浅析了格子Boltzmann单松弛模型与多松弛模型的稳定性比较、射流稳态与非稳态转折点。主要结论如下:
　　本文用格子Boltzmann方法对低雷诺数稳定射流模拟效果很好,而湍射流的模拟结果与Fluent有所差别,但仍能描述湍射流流场特征以及涡的脱落、合并和发展过程。雷诺数越高,射流向下游发展距离越远,轴线速度衰减越慢。低雷诺数下,管长对射流场特征分布几乎没影响,随着雷诺数的增长,射流宽度变窄;高雷诺数下,管长越长,湍流发展越充分,轴线速度越大,随着雷诺数的增长,射流宽度变宽。通过比较不同雷诺数下的射流涡量图,预测雷诺数700左右是二维自由射流稳态、非稳态转折点。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文的主要研究内容

2 格子BOLTZMANN方法介绍

2.1 格子Boltzmann方法发展历史

2.2 格子Boltzmann方法基本原理

2.3 格子Boltzmann方法边界处理

2.4 格子Boltzmann方法基本模型

2.5 格子Boltzmann方法大涡模拟

2.6 本章小结

3 二维自由射流LBM数值模拟方案

3.1 D2Q9 MRT-LES格子Boltzmann模型

3.2 自由射流场几何结构

3.3 自由射流场边界条件

3.4 程序结构

3.5 本章小结

4 数值模拟结果分析

4.1 稳定射流

4.2 湍流射流

4.3 过渡态分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 课题展望

致谢

参考文献