用Lattice Boltzmann方法处理传热传质中的固液相变问题

摘要

相变是传质传热中的一种典型情况。而多孔介质中物质的相变在工业生产和日常生活中十分常见。近些年来,为了提高热传导系数,相变材料中被充入了多孔介质。熔化过程的研究对开采天然气水合物至关重要。天然气水合物在储量非常丰富,主要存在于冻土层中,通过注热水法将其转化为天然气和水进行开采。由于相变问题的非线性特点,需要一种既高效又可靠的数值方法来处理它。
　　 格子Boltzmann方法作为一种新兴的数值计算方法,在经过近几十年的发展后,已成为模拟流体运动以及为复杂物理现象建模的一个新工具。它被广泛运用于研究航空、能源开采和环境工程中的宏观流体系统。与传统计算流体力学方法不同,格子Boltzmann方法并不以宏观连续方程为基础,而是从流体微观模型和细观动力学方程出发,构造符合一定物理规则的演化机制,然后进行计算。与传统的从Nayier-Stokes方程出发的流体力学计算方法相比,格子Boltzmann方法具有编码简单、边界条件容易实现、具有完全并行性等许多独特的优势。这些优点使得格子Boltzmann方法非常适合用于研究多孔介质中的传热传质问题。本文运用格子Boltzmann方法对纯相变以及多孔介质内物质的对流相变过程进行了数值模拟,并对数值结果加以研究和讨论。
　　 文中我们详细介绍了多孔介质中的对流传热的研究意义和研究近况以及相关的基本概念、宏观方程和LatticeBoltzmann方程。随后介绍了相变的基本概念和研究的重要意义,并对纯净物的相变以及伴随对流的相变进行了详细的分析,特别介绍了两种情况下的宏观方程和LatticeBoltzmann方程。通过研究,创新的提出了先迁移后碰撞的LatticeBoltzmann方法,对该方法在处理相变问题上的优越性做了详细的分析与数值模拟。最后,用LatticeBoltzman方法处理多孔介质内有对流的相变,得出了相应的宏观方程与LatticeBoltzmann方程,并建立起一个二维模型,对多孔介质中物质对流相变的各个参数作了分析。