质量守恒的LBM多相流模型对液滴飞溅现象的数值模拟

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在自然界和我们的日常生产以及生活中广泛存在着多相流现象。这种现象的普遍发生对流体机械以及生命科学等诸多方面有着十分重大的影响,例如气象、石油、化工以及生物医学等领域。伴随当代计算机技术的不断进步,数值模拟在多相流方面的研究已经逐渐上升为与实验研究、理论分析同样有价值的研究方法,并在近年来得到极其普遍的利用。  作为基于分子动力学理论的微介观方法,格子Boltzmann方法可以准确高效的对多相流问题进行模拟计算,具有其独特的优势。然而,现有的格子玻尔兹曼模型在模拟多相流问题上虽然已经取得了很大进展,但是在追踪动态界面过程中如何保证质量守恒一直困扰着研究人员,特别是在大密度比率问题上。本文提出了一个质量守恒的格子玻尔兹曼模型用来模拟不可压缩多相流的问题。  首先,在改进的Z-S-C模型的基础上,引入一个质量修正项到Cahn-Hilliard方程中,用来补偿数值模拟时的质量损失或者抵消建模过程中引起的质量耗散。并通过对经典算例的模拟计算来验证这个修正后的模型在处理气液两相流问题上是否能够保证质量守恒。之后,通过研究不同条件下液滴撞击液膜时液滴的演化过程,并对比之前传统模型的结果,发现质量损耗明显降低。此外,本文模拟了液滴与固体表面发生碰撞时产生的现象。基于修正的模型,应用一个简易的几何方程计算固体表面的润湿性。在处理动态接触角问题时,本文引入了一个当地力来获得前/向后接触线的瞬时速度。并模拟在不同的条件下,液滴撞击固体表面时产生的形态变化以及对动态接触角的变化影响。模拟结果表明,修正后的模型可以出色的模拟在不同湿润性的固体表面气液两相流的变化。
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