基于格子Boltzmann方法的流动控制机理数值研究

摘要

本文以边界层的流动控制为背景，沿面放电低温等离子体驱动控制为研究对象，以探索等离子驱动控制机理为目的，以格子Boltzmann方法(LBM)为研究手段，研究了不同情况下低温等离子体发生器对壁面边界层的驱动控制效果。
　　 建立了等离子体发生器的电场特性模型，对发生器结构尺寸对电场分布的影响进行了比较分析。运用LBM方法对单对电极等离子体发生器对边界层的驱动过程进行了数值模拟分析，得到了随时间变化的驱动流场，以及三个截面上的近壁面速度分布曲线，分析了物理参数对驱动作用产生的影响。对连续放置的两组等离子体发生器对自由表面边界层的驱动作用进行了模拟分析。计算表明，两组等离子体发生器之间的距离会对连续驱动效果产生影响。间距的增大，会使驱动作用减弱。最大驱动速度随间距的变化曲线是非线性的。
　　 对于管道内对称放置的两组等离子体发生器所产生的驱动流动作用进行了模拟分析。由于发生器的驱动作用，会在管道内形成涡体，涡体的出现对管道内的驱动流动产生了负作用，阻碍了流动截面，使得流速较低，流量较小。随着管道高度的增加，流动截面积增大，涡体带动了管道内空气的运动，驱动效应增加，流速提高，流量增大，但是流动的方向发生了变化。
　　 对上表面布置有等离子体发生器的平板绕流进行了模拟分析。大攻角情况下，当等离子体介入后，平板上表面涡体消失。从平板的升力系数来看，在大攻角情况下，增加升力作用较为明显。从平板的阻力系数来看，当来流速度低时，等离子体的介入使得阻力降低较为明显。对上表面布置有等离子体发生器的NACA0015翼型绕流进行了模拟分析。等离子体的介入可以明显的消除大攻角下翼型上部产生的涡体，计算所得消涡后的流场分布与实验所得的流场分布基本一致。从升力系数和阻力系数来看，在大攻角情况下，增加升力，降低阻力作用较为明显。
　　 基于格子Boltzmann方法建立了等离子体驱动流动的多组分模型。在模型中考虑了电场作用下的粒子漂移，中性粒子的电离过程，电子、负离子与正离子的复合过程，电子与中性粒子的粘滞过程。运用多组分模型对等离子体激活板的流动控制进行了建模分析，获得了等离子体中各种粒子的分布情况。获得了等离子体对边界层的驱动流场以及三个界面上的速度分布曲线，与前文中所得结果基本一致。
　　 采用平均场自由能格子Boltzmann方法，对毛细管的填充问题进行了数值模拟，得到了汽液界面在管道内随时间t1/2变化的运动曲线，得到的结果与Washburn方程进行了比较，与理论结果一致。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 格子Boltzmann方法的发展

1．3 研究内容及全文安排

2 格子Boltzmann方法的基本原理

2．1 格子Boltzmann方法模型推导

2．1．1 单松弛(LBGK)模型与平衡态分布函数

2．1．2 LBGK宏观方程的推导

2．2 格子Boltzmann方法中的外力

2．2．1 压力校正方法

2．2．2 速度校正方法

2．2．3 演化方程中增加作用力项

2．2．4 基于分子动理论的作用力项

2．3 格子Boltzmann方法的计算过程

2．3．1 边界条件

2．3．2 与实际流场的相似关系

2．4 本章小结

3 沿面放电低温等离子体对边界层的驱动作用研究

3．1 引言

3．2 沿面放电低温等离子体发生器

3．2．1 等离子体漱活板

3．2．2 驱动电源

3．2．3 近壁速度测量

3．3 等离子体发生器电场特性

3．3．1 计算模型

3．3．2 计算结果

3．4 等离子体驱动流场分析

3．4．1 驱动流场分布

3．4．2 近壁面速度分布及模型参数影响

3．5 本章小结

4 表面放电等离子体的应用研究

4．1 引言

4．2 两组等离子体发生器对自由表面边界层的诱导驱动作用

4．2．1 物理模型

4．2．2 计算结果分析

4．3 等离子体发生器对管道流的诱导驱动作用

4．3．1 物理模型

4．3．2 计算结果分析

4．4 等离子体对平板绕流的消涡作用大涡数值模拟分析

4．4．1 基于格子Boltzmann的大涡模拟方法(LBM-LEs)

4．4．2 物理模型

4．4．3 计算结果分析

4．5 低温等离子体作用下机翼绕流消涡减阻计算与实验对比分析

4．5．1 物理模型及实验测试系统

4．5．2 计算结果与实验结果对比分析

4．6 本章小结

5 基于格子Boltzmann方法等离子体多组分模型

5．1 引言

5．2 等离子体多组分模型

5．2．1 介质阻挡放电理论模型

5．2．2 多组分模型

5．3 计算结果分析

5．4 本章小结

6 基于平均场自由能格子Boltzmann方法的毛细管渗流研究

6．1 引言

6．2 平均场自由能格子Boltzmann方法

6．3 washburn方程

6．4 计算结果分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

致谢

参考文献

附录