基于格子Boltzmann方法的液滴与液膜两相流动数值模拟

摘要

格子 Boltzmann方法作为一种基于分子动理论的介观模拟方法,具有理论严谨,物理背景清晰,边界处理简单,并行性好等诸多优势。尤其是该方法在描述多相流动及复杂相界面流动时具有不可替代的独特优势,因此关利用该方法研究气液两相的复杂流动问题正成为近年来国内外研究的热点。
　　竖壁气液降膜流动和液滴冲击固体表面产生冠状溅射是湿空气透平(HAT)循环饱和器内的重要流动现象,这些流动过程中往往伴随着复杂的相界面运动,对这些问题的研究有如下几方面意义:1)提高设备效率,优化工业设备的设计。2)对这些复杂的两相流问题研究可以深入了解自由表面流动的本质,对模拟更为复杂的两相流动过程提供指导。3)为研究相应的传热传质过程奠定基础,具有重要的工程价值和学术意义。
　　本文基于格子Boltzmann方法对竖壁气液降膜流动和液滴冲击固体表面产生的冠状溅射等现象进行了探索性研究,为深入了解这些流动过程中的水动力学特性提供了参考。本文工作主要从以下三个方面展开:
　　1)首先基于原有伪势模型提出了改进,通过在作用力项中提出新的表面张力项提出了表面张力可调的伪势模型。然后基于改进后的伪势两相模型,在二维条件下模拟了雷诺数Re?5,10和20时竖壁降膜流动,计算结果与实验结论取得了较好的对比。进一步研究了液膜在入口处存在正弦扰动时的流动特性,分析了入口扰动和表面张力作用对液膜稳态波动的影响,总结了液膜稳态波动的规律。
　　2)基于最新的两相格子Boltzmann模型(Lee模型)在数值方法上进行了改进,进一步提高了模型在大密度比下的数值稳定性。基于改进后的模型首先研究了二维液滴冲击静止液膜,计算得到的溅射根部铺展半径与实验数据能够较好的定量对比,从而验证了改进后模型的正确性。进一步数值模拟了液滴冲击流动液膜的溅射过程,考虑了不同的液膜液滴速度比和液膜相对厚度对流动过程的影响。计算结果与冲击静止液膜的计算结果和实验结论进行了对比,总结了溅射过程中溅射铺展半径和溅射高度随时间的变化规律,论述了流动现象产生的内在机理。
　　3)将基于单相格子 Boltzmann模型提出的三种出口边界格式:Neumann出口边界,外推出口边界和对流出口边界应用于两相格子Boltzmann模型。基于Lee的单分布和双分布模型对以上三种出口边界进行了验证,并提出了相应的修正方法,提高出口边界的数值稳定性,使之适用于较大的气液密度比和粘度比。

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第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2研究现状及历史

1.3课题研究的主要内容

第二章 多相格子Boltzmann模型

2.1 基本理论模型

2.2边界条件

2.3多相格子Boltzmann方法的最新应用研究

2.4计算流程

2.5本章小结

第三章 竖壁汽液降膜的格子Boltzmann模拟

3.1 降膜流动问题的研究进展

3.2 表面张力可调整的伪势模型

3.3数值方法验证

3.4 降膜流动的数值模拟

3.5 本章小结

第四章 液滴冲击液膜的格子Boltzmann模拟

4.1 伪势速度和大密度比下的数值稳定性

4.2 Lee双分布模型

4.3 液滴冲击静止液膜

4.4 液滴冲击流动液膜

4.5 本章小结

第五章 基于Lee模型的出口边界格式

5.1 LEE单分布两相格子Boltzmann模型

5.2 出口边界条件

5.3 计算结果与分析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果