一种广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann模型及其应用

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多相流问题是计算流体力学领域学者们竞相研究的热门问题之一,其中,气-液多相流是一个重要的研究方向。各种流体之间会发生很多复杂的现象,其中质量、动量和能量的交换经常发生在气-液两相的界面处,尤其是在解决大密度比、大黏度比而导致的两相界面处大压力梯度的问题,是处理气-液多相流问题时存在的主要难点。首先,根据上述难点,本文针对不可压缩、非混溶的复杂多相流问题,提出了一种广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann模型。此模型运用早前发展起来的简化多相流格子Boltzmann方法(Simplified Multiphase Lattice Boltzmann Method,SMLBM)[1],通过采用带有拉格朗日算子的广义守恒相场方程来控制界面的演化并确保每相流体的体积和总质量守恒。本模型继承了SMLBM稳定性好,计算效率高的优势,能够解决由不同流体组分之间的大密度比和大黏度比引起的大压力梯度的界面问题。为了验证本方法的稳定性和准确性,模拟了包括拉普拉斯定律、三相泊肃叶流、液滴透镜以及复合液滴铺展在内的四个多相流算例。结果表明,本模型能有效地模拟密度比达到1200和黏度比达到500的复杂界面多相流算例。其次,本文将此模型进一步扩展,建立了一个混溶和非混溶统一的广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann模型。提出了一个计算算子来区分两相流体之间的混溶与非混溶现象,并模拟了混溶和非混溶三相泊肃叶流问题和两液滴融合问题来验证该模型。结果表明,本模型能同时模拟混溶和非混溶多相流系统,具有广泛的适用性。最后,本文采用广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann模型求解流场,采用自修正过程求解磁场,研究了垂直均匀磁场作用下磁流体液滴在气-液两相流中演化的动力学过程。结果表明,仿真结果与Khokhryakova[2]对悬浮在气-液两相间磁流体液滴在垂直均匀磁场作用下变形的实验结果吻合较好。研究发现,磁流体液滴形变时的宽高比、质心高度以及拉伸速率与磁邦德数的大小有关。最后通过采用标度律方法得出了磁流体液滴宽高比与磁邦德数之间的定量关系,为研究磁流体液滴在垂直均匀磁场下的拉伸变形提供了理论基础。
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