基于格子Boltzmann方法的微通道中气液两相流声传播问题研究

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两相多孔介质中声传播现象广泛存在于生活、自然界和工程领域中,例如声波探测海底沉积物的含气率、声波对CO2储气层的安全监测、液滴微控技术等。近年来,针对两相流的研究十分丰富,声波在两相多孔介质中传播的研究也逐渐受到重视。然而由于其涉及到复杂的界面捕捉、表面张力的计算、气-液-声耦合等复杂问题,目前学者大多从实验角度出发对这个方向进行研究,对其物理规律及影响机理的认识还不够深入。传统数值方法在研究这类问题时存在处理界面复杂、需要另外计算泊松方程来得到声场等不足。而近年来发展起来的介观数值方法——格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method,LBM),由于其微观本质,被学者认为是研究两相流的有效方法,同时,该方法在计算过程中伴随出现声波,无需计算泊松方程,也是研究声传播强有力的方法。然而目前还很少有学者将该方法应用到两相流声传播领域。因此,本文对LBM计算两相流声传播问题进行探讨。本文使用一种两相LBM——基于相场模型的LBM对两相流中声传播这类问题进行研究。基于相场模型的LBM有着计算稳定、容易计算复杂相界面的优势,其物理意义明晰,被证实是研究两相流体流动的有效方法。另外本文将多孔介质进行简化,选取其中一个管道进行研究,这样在不影响问题的基本物理规律的情况下,探究方法的可行性,初步研究物理规律,为后面复杂的研究做铺垫。本文的研究内容分为两部分:(1)使用基于相场模型的LBM建立管道中两相流声传播的模型,验证该方法在计算声波问题上的有效性。进一步通过数值模拟对管道中气泡对声波衰减的影响进行分析。得出以下结论:(1)基于相场模型的LBM具有描述声传播及声压衰减的能力;(2)管道内的气泡半径越大,经过气泡后声波衰减越大;(3)管道内气泡个数越多,经过气泡后声波衰减越大。(2)针对传统相场模型相界面需要一定厚度的不足,提出了基于Sharp-Interface相场模型的两相流LBM,使其更适合研究多孔介质领域。一维气液界面问题和二维静态液滴问题的数值结果表明,新模型相比改进前的模型,可在求解精度相当的情况下实现更薄的相界面。
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