格子玻尔兹曼方法

摘要： 针对船舶与落石入水砰击涌浪灾害问题,采用浸入式边界-格子玻尔兹曼方法对二维楔形块入水涌浪问题进行了研究。从格子玻尔兹曼方法、基于流体体积法(VOF)的自由液面模型以及浸入式边界法的原理出发,阐述了其可以用来模拟有自由液面的流固耦合问题的理论基础,并优化了界面格子处浸入式边界力的求解方法。采用此方法模拟了楔形块体入水抨击实验,通过对模拟的块体速度与位置和实验结果进行比较,两者吻合良好,论文此方法模拟有自由液面的流固耦合问题具有较好的可行性。

摘要： 相变墙体可以有效降低建筑能耗并提高热舒适性。相变屋顶多孔砖内部填充相变温度为25~33°C的石蜡,引入考虑辐射与空气温度的等效温度,本文利用高性能计算显卡(GPU)加速基于焓法的多松弛时间格子玻尔兹曼算法(MRT-LBM),分析了2020年8月典型天气下中国7个城市应用不同相变温度的石蜡对屋顶热响应特性的影响。采用相变温度为27°C的石蜡进行研究,结果表明,上海地区相变屋顶中的石蜡没有发生相变,空调运行期间由屋顶进入室内单位面积的热量高达324.3kJ/m^(2);成都地区相变屋顶中的石蜡液化率变化最大为30%,内表面温度在25.6~27.3°C波动,温差仅为1.7°C,由屋顶进入室内单位面积的热量仅为50.9kJ/m^(2);武汉和北京地区的液相率变化很接近,其相变时间达到全天的50%,对应的由屋顶进入室内单位面积的热量为上海地区的0.37倍;昆明与哈尔滨地区屋顶内表面温度波动分别达到4.5°C与4.4°C,但对应的温度均在28°C以内;广州地区相变屋顶中的石蜡几乎没有发生相变,室内温度波动幅度为成都的2.6倍。北京、成都、武汉和昆明地区适合采用相变温度为27°C的石蜡,而广州、上海和哈尔滨地区适合采用相变温度为29°C、31°C和25°C的石蜡。本文工作可为相变建筑优化设计提供参考。

摘要： 为研究某车型风窗噪声,根据格子波尔兹曼(Lattice Boltzmann,LBM)方法获得高速行驶工况下车身表面各监测点处的1/3倍频程声压级及平均输入激励。采用混合有限元-统计能量分析(Finite Element-Statistical Energy Analysis,FE-SEA)方法对该车型车内噪声进行输入激励下的数值模拟,得到驾驶员耳旁声压级结果,并与实车道路试验比较,验证了该方法的可靠性。仿真结果表明,在20 Hz~125 Hz范围内,混合FE-SEA方法精度高于统计能量分析(Statistical Energy Analysis,SEA)方法;在125 Hz~400 Hz中频范围内,根据混合FE-SEA方法所得结果与道路试验结果更为吻合,与试验结果的误差最大值不超过3 dB;在400 Hz~1000 Hz范围内,SEA方法的精度逐渐提升,其计算结果与试验值吻合度升高。据此进行的车身部件贡献量分析表明左前侧窗在整个频段内都对驾驶员耳旁噪声有影响,左后侧窗对其贡献量最小。

摘要： 首先回顾了高精度非标准格子玻尔兹曼方法的发展历程,基于高精度通量重构格式,发展了一种通量重构格子玻尔兹曼方法(FRLBM)。采用两种求解方法:一种是将碰撞项隐式处理,直接求解离散速度玻尔兹曼方程(直接法);另一种是先执行碰撞步,再求解纯对流方程(分步法)。通过收敛性研究,比较了这两种方法的精度和稳定性。研究结果表明,在小时间步长下两种方法误差近似,都能取得高阶精度;然而当时间步长增大,直接法误差几乎不变,分步法误差出现明显上升。由此表明,当取得近似误差时,直接法可以采用较大时间步长,计算效率更高,且直接法的稳定性略占优。接着通过模拟顶盖驱动方腔流验证了FRLBM捕捉流场细节的能力,并且比较了基于半隐格式的显式方法和一阶、二阶及三阶隐式-显式Runge-Kutta格式的时间离散,在不同雷诺数下的最大允许Courant-Friedrichs-Lewy数,数值结果表明二阶隐式-显式Runge-Kutta格式效果最优。最后数值模拟了圆柱绕流,验证了FRLBM计算复杂外形绕流的可靠性。

摘要： 数值稳定性问题一直是困扰格子玻尔兹曼方法在高雷诺数高马赫数流动中广泛应用的瓶颈。在格子玻尔兹曼方法领域改良碰撞模型的数值稳定性和精度一直是近30年来的研究难点和热点。正则化碰撞模型作为众多碰撞模型的一个重要分支,近几年来取得了重要理论进展,目前已在高雷诺数湍流模拟、高马赫数可压缩流动以及气动声学领域得到了广泛应用。本文系统地回顾了正则化碰撞模型的发展历史,并建立了一个系统的理论框架阐述不同正则化碰撞模型之间的理论联系。同时,揭示了正则化多松弛碰撞模型的理论本质,就是在与坐标无关且自相似的矩空间中将离散格子模型表达不了的高阶动理学矩进行快速松弛,以避免虚假模态对水动力学方程的影响。

摘要： 研究气液非混相驱替过程中的相界面卡断机理及其影响因素在气驱,气水交替及泡沫驱等提高油气采收率领域具有重要意义.本文在原始伪势格子玻尔兹曼模型的基础上,改进流体-流体作用力格式,添加流-固作用力,耦合RK状态方程,并采用精确差分方法将外力添加到LBM框架中.通过校准模型的热力学一致性以及模拟测试界面张力,静态平衡接触角及液相在角隅的滞留等一系列两相体系验证模型的准确性.基于改进的伪势格子玻尔兹曼模型,在孔-喉-孔系统中开展气液非混相驱替模拟,结果表明:卡断现象与驱替压差,孔喉长度比及孔喉宽度比有关,只有当驱替压差处于一定范围内时,气液两相驱替过程中才会发生卡断现象;当驱替压差大于临界驱替压差上限时,即使达到了经典静态准则所预测的卡断条件,卡断也会被抑制;当驱替压差小于临界驱替压差下限时,无法克服毛管“钉扎”作用,形成无效驱替.对于固定孔喉宽度比的孔-喉-孔结构,随着孔喉长度比的增大,发生卡断现象的驱替压差范围增大;对于固定孔喉长度比的孔-喉-孔结构,随着孔喉宽度比的减小,发生卡断现象的驱替压差范围增大.

摘要： 格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)起源于20世纪80年代的格子气模型,至今已有30多年的发展历程。LBM具有物理背景清晰、边界容易处理、程序易于实施、并行性能良好、易处理复杂现象、模型鲁棒性高等特点,因而在流体科学与工程应用领域迅速发展,已成为复杂流体系统模拟研究的重要手段,在传热传质、多相流、多孔介质流、生物渗流、气动噪声、流体不稳定性和化学反应流等方面获得了广泛应用。

摘要： 木质纤维素生物质已被公认为最有前景的低成本和可再生生物燃料来源之一,因其能转化为替代燃料和有价值的平台分子引起了广泛关注。经汽提预处理的木质纤维素生物质多孔固体残渣可在稀硫酸催化下生成乙酰丙酸(LA)。该过程包括多孔介质扩散、多组分反应传输、液固界面反应和纤维素溶解,而了解这些复杂的物理化学过程之间的相互作用是优化水解反应性能的基础。本文建立了基于格子玻尔兹曼方法的多孔反应传递模型,以模拟稀酸催化纤维素转化为LA的过程。并将仿真结果与已有的实验结果进行了对比,以验证模型的准确性。模拟结果表明,温度对水解有显著影响,180°C时碳收率最高。不考虑木质素反应,在4%~8%范围内硫酸浓度越高,水解效率越好。还评估了纤维素含量和汽提残渣孔隙率对纤维素溶解速率的影响,发现当孔隙率为0.7、纤维素含量为50%时,纤维素的平均溶解速率在75 min内最高。

摘要： 基于一种应用电渗效应的除湿翅片结构,利用格子玻尔兹曼方法(LBM)构建数值模型,分别对采用大孔硅胶和活性氧化铝这2种固体干燥剂的除湿翅片吸附饱和后的电渗流进行模拟研究,结合试验结果进行模型验证,并分析影响电渗流速率的相关因素,包括空隙率、迂曲度、颗粒物粒径、Zeta电势和电场强度等。结果表明:在给定的参数范围内,大孔硅胶的电渗流速率比活性氧化铝高30%左右;对于这2种固体干燥剂,电渗流速率受空隙率的影响最大,受其余4个因素的影响较小;对于颗粒物粒径的影响探究,还需要对较窄流道内的双电层区域进行进一步的研究和模型改进。

摘要： 采用可调节表面张力的大密度比、大黏滞系数比格子玻尔兹曼伪势空化模型模拟了近壁区空化泡溃灭过程,并进一步分析了表面张力和初始空化泡内外压差对空化泡溃灭过程中流场分布的影响,探究了表面张力变化对空化泡溃灭时产生的微射流和溃灭压力演化的影响。结果表明:在近壁区空化泡溃灭过程中,随着表面张力减小,加剧了气液交界面的变形,导致微射流更为集中。同时空化泡在溃灭过程中蓄积的表面能减小,在溃灭时刻迅速释放后,减弱了空化泡溃灭强度,空化泡溃灭最大微射流流速和最大压力均随着表面张力的减小而减小,导致空化泡溃灭时间缩短,增加了壁面引起的Bjerknes力,加剧空化泡朝向壁面溃灭的趋势。

摘要： 为了探究大型重载水轴承微观流场的状态,采用无网格的粒子法—格子玻尔兹曼方法建立水润滑轴承微凸体的微观界面简化模型,探究轴承表面相邻的微凸体间的流体运动状态,分析流体的流线分布、压力分布以及在微凸体内形成的涡.研究结果表明该方法对于研究水润滑轴承微观流场的流体特性是可行的,为水润滑轴承动态特性计算和微观机理的探究提供了新的研究思路,为水润滑轴承微观界面进行深入研究提供一定的参考.

摘要： 传统的LBM-DEM颗粒流体系统直接数值模拟算法是一种不引入经验模型的计算方法,颗粒尺寸通常比格子步长大1个量级,颗粒的受力是通过积分表面的黏性力与压力获得,其优点是能描述每个颗粒周围的详细流场,产生详细的颗粒-流体相互作用的动力学信息,可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息和两相相互作用的本构关系,但其缺点是计算量是巨大,无法应用于真实流化床过程模拟.本文针对气固流化床中的流体以及固体颗粒间的多相流体力学行为,建立一种稠密气固两相流的介尺度LBM-DEM模型,即LBM-DEM耦合的离散颗粒模型(即格子步长约1个量级的颗粒尺寸),实现在颗粒尺度上的流化床的快速离散模拟.该耦合模型采用格子玻尔兹曼方法(LBM)描述气相的流动和传递行为,离散单元法(DEM)用于描述颗粒相的运动,并利用能量最小多尺度(EMMS)曳力解决气固耦合不成熟问题,以提高其模拟精度.通过典型的流态化过程的模拟,验证了介尺度LBMDEM耦合模型的有效性.本研究表明介尺度LBM-DEM模型,不仅可以获得颗粒运动轨迹等局部信息,也可以获得流体的平均流场信息,是一种探索实验室规模气固系统的有力手段.

摘要： 本文提出交点间断伽辽金有限元与大涡模拟中的亚格子应力模型相结合的方法,离散求解Boltzmann BGK方程,系统地研究了不同雷诺数下的顶盖驱动流.与标准解的对比表明:相比于标准格子玻尔兹曼方法,该方法能够应用于非均匀网格,充分捕捉到了流场的细节;该方法在空间上具有高精度,能够用较小的网格数进行模拟,大幅增加了计算速度;采用亚格子应力模型可模拟高雷诺数湍流流动,有效地解决了标准格子玻尔兹曼在高雷诺数模拟中的非稳定性问题.

摘要： 使用IB-LBM研究二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用.在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡.边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构.尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失.最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层.在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k-3,它表示涡度拟能向小尺度移动.在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k-5/3,这意味着能量向大尺度移动.

摘要： 使用IB-LBM研究二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用.在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡.边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构.尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失.最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层.在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k-3,它表示涡度拟能向小尺度移动.在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k-5/3,这意味着能量向大尺度移动.

摘要： 使用IB-LBM研究二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用.在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡.边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构.尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失.最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层.在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k-3,它表示涡度拟能向小尺度移动.在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k-5/3,这意味着能量向大尺度移动.

摘要： 使用IB-LBM研究二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用.在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡.边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构.尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失.最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层.在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k-3,它表示涡度拟能向小尺度移动.在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k-5/3,这意味着能量向大尺度移动.

摘要： 使用IB-LBM研究二维槽道中圆柱的尾流与壁湍流之间涡的相互作用.在壁面处出现边界层,同时由于边界层的不稳定性在壁面边界附近产生二级涡.边界层通过"ejection"过程向外喷发涡旋结构.尾流与湍流边界层之间相互作用形成的偶极子远离壁面,最后由于黏性耗散作用而消失.最终,涡旋相互作用的稳定状态出现涡街和弱的边界层.在壁面附近直接级联能谱的标度行为是k-3,它表示涡度拟能向小尺度移动.在远离壁面的二维湍流的逆级联能谱是k-5/3,这意味着能量向大尺度移动.

摘要： 相渗曲线对于评价油藏开发潜力、制定开发方法和参数至关重要,致密砂岩渗透率低,常规实验方法测其相渗曲线耗时长、误差大,对实验设备和操作要求高.本文选取致密砂岩岩心高精度扫描图像的典型样本,经过图像降噪、增强、二值化和孔喉连通体提取后形成数字岩心数据体,按照多相流体混合注入的条件构造了适当的边界注入网格模型,采用基于COLOR模型的LBM方法,用稳态法模拟计算得到了致密砂岩典型样本的相渗曲线.相比常规实验方法,该方法具有参数易控制、求解速度快、结果精确可靠、具有可重复性等特点.

摘要： 相渗曲线对于评价油藏开发潜力、制定开发方法和参数至关重要,致密砂岩渗透率低,常规实验方法测其相渗曲线耗时长、误差大,对实验设备和操作要求高.本文选取致密砂岩岩心高精度扫描图像的典型样本,经过图像降噪、增强、二值化和孔喉连通体提取后形成数字岩心数据体,按照多相流体混合注入的条件构造了适当的边界注入网格模型,采用基于COLOR模型的LBM方法,用稳态法模拟计算得到了致密砂岩典型样本的相渗曲线.相比常规实验方法,该方法具有参数易控制、求解速度快、结果精确可靠、具有可重复性等特点.

摘要： 本发明公开了一种基于多相格子玻尔兹曼通量方法的多相流模拟效率优化方法，步骤如下：建立对应多相流问题的物理模型，并对整个计算区域进行网格划分；根据问题类型输入计算所需的初始条件以及边界条件；通过相场控制的Cahn–Hilliard方程、以及流场控制的格子玻尔兹曼通量求解器，在有限体积法的基础上进行空间离散，设定全局时间步长，在流动求解过程中使用双时间步推进方法、并利用二阶TVD龙格库塔时间格式进行内迭代伪时间步上的推进计算；在求解过程中不断计算局部时间步并将其应用到双时间步推进方法的迭代过程，直到内迭代残差符合收敛要求为止，得到下一时刻下整个计算域的流场相场数值。本发明能够有效减少多相流问题计算时间，提高计算稳定性。

摘要： 本发明提供一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法。所述方法包括：根据待模拟区域的结构特征，建立所述待模拟区域的数学模型；建立基于单松弛时间格子玻尔兹曼方程的离散模型，并根据所述离散模型中的物理参数构建各个声波波场参数的迭代计算格式；对所述离散模型中各个预设方向的波场参数赋初值，定义震源函数，并制定波阻抗界面处理方法、流‑固边界条件以及计算区域外部边界条件；根据所述迭代计算格式，利用单松弛时间格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设采样时刻的声波波场参数的数值。利用本发明中各个实施例，可以有效提高粘滞声波模拟的准确度。

摘要： 本发明提供了一种利用时间局部性的格子玻尔兹曼方法并行加速方法，包括步骤：1)将单时间迭代步内的三个空间维的DOALL循环融合成一个DOACROSS循环；2)对融合后的DOACROSS循环执行循环偏斜，消除与时间维相关的负依赖，形成融合时间维的DOACROSS循环；3)使用循环分块技术，对融合时间维的DOACROSS循环执行循环分块，形成分块大小为a×a×t的多个分块；4)对分块实现波阵面并行。该方法可以显著提高格子玻尔兹曼方法的计算速度。

摘要： 本发明公开了一种格子玻尔兹曼方法的并行加速方法及系统，克服目前使用X86服务器集群来进行LBM处理在时间等消耗较大的缺陷，该方法中：CPU端确定网格所有格点上的宏观参量及其初始值，定义数据结构和存储方式用于存储每个格点各个方向的平衡分布函数和每个格点的宏观参量，根据宏观参量计算出所有格点上各方向的平衡分布函数，设置MIC卡内核的线程执行配置；MIC端根据宏观参量及其初始值、线程执行配置及网格所有格点上各方向的平衡分布函数进行迁移和碰撞的并行计算和并行的边界处理，并根据网格所有格点各方向的平衡分布函数获得收敛状态。本申请的实施例提高了格子Boltzmann方法的处理性能，满足了流体模拟的需求。

摘要： 本发明提出一种针对树网格格子玻尔兹曼方法中虚拟分层边界的高精度处理方法，在保证超高计算效率的前提下，采用了高精度的插值格式，考虑了虚拟边界的实际物理情况，同时也涉及了粗细网格相互的信息传递，满足更高精度的计算要求，适用于所有针对基于树网格LBM的虚拟边界处理需求。

摘要： 本发明提出一种针对树网格格子玻尔兹曼方法中虚拟分层边界的高精度处理方法，在保证超高计算效率的前提下，采用了高精度的插值格式，考虑了虚拟边界的实际物理情况，同时也涉及了粗细网格相互的信息传递，满足更高精度的计算要求，适用于所有针对基于树网格LBM的虚拟边界处理需求。

摘要： 本发明提出一种针对格子玻尔兹曼方法数值模拟中曲面边界的处理方法，该方法基于实际数值模拟计算需求综合Mei格式，Chen格式，以及Guo格式，能够用于开发满足复杂流场高精度高效率数值模拟的计算平台，用于高性能翼型设计、新一代发动机设计等实际应用领域，推动本学科的发展和创新。本发明比三种现有曲面边界处理格式更为精确，由于每一步计算都更为精确，所以收敛速度也较快，实现了计算的高精度和高效率。

摘要： 本发明提供了一种基于伪势格子玻尔兹曼方法的浸润现象模拟方法，所述方法包括以下步骤：将速度分布函数fi(x，t)、平衡速度分布函数fieq(x，t)及离散作用力Fi(x，t)遵循碰撞模型在网格格点上进行碰撞；将速度分布函数fi(x，t)遵循迁移规则迁移到邻近网格点处；将网格格点处的密度ρ根据公式进行求解得到密度值；根据所述密度值和非理想气体状态方程求解伪势；根据所述伪势求解网格格点处作用力F(x，t)；在表征壁面的网格处设定浸润角；求解网格格点处的速度值；进行终止判断。本发明所述方法可显式设定接触角、有效扩大接触角表征范围，有利于提升数值模拟的稳定性及并行运算效率。

摘要： 本发明提供了一种利用时间局部性的格子玻尔兹曼方法并行加速方法，包括步骤：1)将单时间迭代步内的三个空间维的DOALL循环融合成一个DOACROSS循环；2)对融合后的DOACROSS循环执行循环偏斜，消除与时间维相关的负依赖，形成融合时间维的DOACROSS循环；3)使用循环分块技术，对融合时间维的DOACROSS循环执行循环分块，形成分块大小为a×a×t的多个分块；4)对分块实现波阵面并行。该方法可以显著提高格子玻尔兹曼方法的计算速度。

摘要： 本发明公开了一种格子玻尔兹曼方法的并行加速方法及系统，克服目前使用X86服务器集群来进行LBM处理在时间等消耗较大的缺陷，该方法中：CPU端确定网格所有格点上的宏观参量及其初始值，定义数据结构和存储方式用于存储每个格点各个方向的平衡分布函数和每个格点的宏观参量，根据宏观参量计算出所有格点上各方向的平衡分布函数，设置MIC卡内核的线程执行配置；MIC端根据宏观参量及其初始值、线程执行配置及网格所有格点上各方向的平衡分布函数进行迁移和碰撞的并行计算和并行的边界处理，并根据网格所有格点各方向的平衡分布函数获得收敛状态。本申请的实施例提高了格子Boltzmann方法的处理性能，满足了流体模拟的需求。