单气泡沿过热曲面运动的格子Boltzmann方法模拟

摘要

标准的格子Boltzmann方法(LBM)在计算规则区域内的流体流动和传热问题时有一定的优势，然而实际问题中流场区域往往具有不规则的复杂边界，在这类问题中直角坐标下的LBM方法不仅无法准确描述计算域边界，而且计算效率也不高，因此将贴体坐标引入到标准的LBM热模型和多相流模型中具有重要的现实意义。
　　考虑到通用的插值格子Boltzmann方法(GILBM)在不规则区域中对流体流动计算的优势，本文将标准的LBM热模型与之相结合，建立了贴体坐标下的LBM热模型。为了验证改进热模型的适用性，首先用其计算了圆柱绕流问题，计算所得的流场流线分布、圆柱表面压力系数及平均努赛尔数都与文献中的结果吻合良好。而后又进一步计算了水平圆环中的自然对流，当Ra=5×104时，计算所得环形空间中的等温线分布与Kuehn等人实验拍摄的结果高度吻合，同样环形空间内外壁面上的局部当量导热系数的数值计算结果与实验数据的对比显示:除了在环形空间底部的计算误差较大，其他各处均吻合良好，平均相对误差在3％以下。以上对比结果证明了贴体坐标下的LBM热模型在具有大曲率复杂边界流场中应用的可行性。
　　鉴于贴体坐标下的LBM热模型在非等温单相流体系统中计算的成功，本文又尝试将GILBM方法与Dong等提出的直角坐标下的复合LBM相变模型相结合，建立了相应贴体坐标下的复合LBM相变模型。在验证模型的可行性方面，分别模拟了无重力条件下气泡在过热液体中的生长及水平过热壁面上的生长跃离，所得结果分别与Mikic的解析解以及Mukherjee的实验结果相吻合。然后进一步用改进的相变模型研究了不同Ja数下单气泡沿过热曲面的运动特性，发现气泡上升过程经历了沿壁面滑移和脱离壁面两个阶段，且Ja数越大气泡生长越快，上升速度变化也越快。曲面导致的气泡形变会使得气泡速度变化产生波动，波动频率和幅度与Ja数成正相关。气泡并非一直生长变大，其在脱离壁面后，由于受到周围过冷液体冷凝开始变小。气泡对温度场的扰动程度也与Ja数成正相关，同时温度场的剧烈变化也反过来影响气泡的生长。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 非等温系统中气泡动力学特性的研究现状

1．3 LBM在复杂流场中的应用现状

1．4 本文的主要工作

2 格子Boltzmann方法的理论和模型

2．1 格子Boltzmann方法的基本原理

2．2 计算边界的处理

2．2．1 周期边界处理方法

2．2．2 反弹边界处理方法

2．2．3 充分发展边界处理方法

2．2．4 非平衡态外推处理方法

2．3 热格子Boltzmann模型

2．3．1 热模型简介

2．3．2 封闭方腔自然对流

2．4 格子Boltzmann多组分多相流模型

2．4．1 多组分多相流模型简介

2．4．2 Zheng模型

2．4．2 Laplace定律验证

2．5 本章小结

3 贴体坐标下的LBM理论

3．1 贴体坐标下的网格生成技术

3．1．1 贴体坐标的基本概念

3．1．2 贴体网格的生成方法

3．2 贴体坐标下的格子Boltzmann方法

3．2．1 通用的插值格子Boltzmann方法(GILBM)

3．2．2 GILBM实施步骤

3．2．3 45°斜方腔的顶盖驱动流

3．3 本章小结

4 单相复杂流场传热问题的数值计算

4．1 贴体坐标下的热格子Boltzmann模型

4．2 复杂流场传热问题的计算与模型验证

4．2．1 圆柱绕流

4．2．2 水平同心环形空间自然对流

4．2．3 水平偏心环形空间自然对流

4．3 本章小结

5 过热曲面上气泡运动特性的数值研究

5．1 贴体坐标下的复合LBM相变模型

5．1．1 直角坐标下的复合LBM相变模型

5．1．2 贴体坐标下的复合LBM相变模型的建立

5．2 贴体坐标下的复合LBM相变模型的验证

5．2．1 无重力条件下过热液体中气泡的生长

5．2．2 单气泡在水平壁面上的生长和脱离

5．3 过热曲面上单气泡运动特性的模拟计算

5．3．1 数值计算条件

5．3．2 数值计算结果

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论与创新

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢