格子玻尔兹曼方法的理论研究与应用

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格子玻尔兹曼方法是用简单的介观模型来模拟流体宏观行为的一种动力学方法。与传统的宏观数值计算方法截然不同,格子玻尔兹曼方法从非平衡态统计力学的观点出发,将时间、空间和速度相空间完全离散的动力学格子模型同Boltzmann方程相结合,实现不直接求解Naiver-Stokes方程组而描述流体运动规律的目的。格子玻尔兹曼方法具有编程简单、易于并行处理和边界条件处理简单等优点,在最近十几年得到了重视和迅速发展,逐渐拓宽了其应用领域。 本文采用LBGK模型编制了计算程序,针对顶盖驱动流动、外掠后台阶流动、方腔自然对流、热Poiseuille流几个经典算例进行了数值模拟,并与SIMPLE算法的解或相应的基准解进行比较,验证了程序的正确性,表明了LBM在流动与传热领域的发展前景。对二维平行通道内的圆柱、方柱和三棱柱绕流流动进行了数值模拟,分析了障碍物不同放置时的流场、压力场,得到了各种绕流开始出现涡脱的雷诺数临界值以及流场中阻力系数的变化。同时还对双管横、竖排两种布置方式的绕流进行了数值模拟,结果表明横向管间距越小,流动稳定性越强;纵向管间距越小,流动稳定性越差。针对顺、错排管束的流动计算表明,流体冲刷错排管束的能力较强,但其阻力损失却较大。应用LBM周期性边界处理技术对顺、错排管束绕流局部单元流动状态进行了数值模拟,为进一步应用LBM对多孔介质流动模拟奠定了基础。
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