格子Boltzmann方法(LBM)作为一种介观方法,凭借天然并行性、边界条件处理简单、程序易于实施等自身独特的优势,广泛应用于微尺度流动和传热、多孔介质、生物流体、磁流体、纳米流体、多相流、燃料电池等众多领域,为多种复杂现象的机理研究提供了新的研究思路。但是目前在层流受限冲击射流、随机多孔介质的流动和换热应用上,LBM存在不足和空白之处,有待于进一步的完善和拓展。因此,本文采用LBM对上述两方面做了有益的尝试,为深刻认识这些问题提供了新的启示,同时为后续研究工作打下了良好的基础。概括来说,本文的工作主要包括:(1)基于LBM方法模拟计算了正形和菱形排布的四圆柱绕流问题,揭示了Re数和间距比L/D对流动形态、阻力系数、升力系数和Nu数的影响规律。通过对四圆柱绕流的流动特性和受力特性的数值模拟研究,结果表明:不同Re数下流动模式发生转变时对应的临界L/D不同;流动模式发生转变时,平均阻力系数、平均升力系数发生突变,这些结论与已知的研究结果一致。基于此,文中对目前报道较少的四圆柱绕流换热问题进行了深入探讨,结果表明:圆柱表面Nu数随Re数增大快速增大;随着L/D的增大流动模式发生改变时,Nu数大幅度增加;对于同一流动模式,Nu数随着L/D的增加几乎不变。这部分研究成果为随机多孔介质流动和换热问题的研究提供了基础。(2)对冲击射流的研究,本文模拟计算了平面和曲面冲击射流,揭示了Re数、无量纲冲击距离H/W对层流受限冲击射流流动特性、温度分布特性的影响规律。不同于传统冲击射流模拟结果对选取的湍流模型具有巨大依赖性,本文采用LBM这种新兴的数值模拟方法,避免了经验参数的确定。数值仿真结果表明:随着Re数增大,流动从稳定结构转变为非稳定结构,H/W越大,流动结构发生转变对应的临界Re数越小。滞止点处Nu数随Re数增加而增加,随H/W增加而减小。在这两个参数中,Re数对换热特性有着更显著的影响。对射流冲击曲面换热问题的研究结果表明:圆柱表面Nu数随角度0变化较大,当θ从0°增加到90°时,Nu数逐渐减小,并且在90°达到最小值;随着0从90°增加到135°,Nu数逐渐增大。这部分工作验证了LBM能够对强旋流动进行准确地数值模拟。(3)对于随机多孔介质,重点研究了多孔结构随机性、粒径分布和颗粒形状对流动和换热特性的影响。(a)通过查阅大量文献发现,不同学者提出的多孔介质渗透率与孔隙率关系式存在着巨大的差异,充分证明了多孔介质复杂的内部结构的影响。本文采用基于过程的重构技术生成随机多孔介质,对孔隙内流场进行了深入的探讨。结果表明,构成多孔介质的颗粒粒径和数量不变,随机生成的不同多孔结构的无量纲渗透率K相差很大,内部多孔结构对流动有着不可忽视的影响。对于二维结构,提出了适用于直径符合高斯分布的圆柱形成的多孔介质的渗透率K计算式。在此基础,上,给出了用于Forchheimer方程的一个新的b’Den计算式。对于三维结构,重点考察了粒径分布规律和颗粒形状的影响。当不同粒径颗粒种类不大于5时,渗透率随颗粒种类增加而增大。球形颗粒的无量纲渗透率大于立方体颗粒。同时,本文将立方体的研究结果拓展到长方体长度(a)小于高度(b)的情况,随着a/b增大,渗透率K减小。(b)通过查阅大量文献发现,不同形式多孔介质换热系数关联式相差很大,甚至存在一些矛盾的结论。基于此,本文针对随机多孔介质内部的换热特性展开了研究。结果表明,构成多孔介质的颗粒粒径和数量不变,随机生成的不同多孔结构的Nu数相差很大,内部多孔结构对换热有着不可忽视的影响。对于二维结构,给出了考虑孔隙率影响的Nu数表达式。对于三维结构,重点考察了粒径分布规律和颗粒形状的影响。当不同粒径颗粒种类不大于5时,Nu数随颗粒种类增加而减小。对于形状相同粒径分布不同的颗粒,等直径颗粒组成的多孔介质孔隙率对Nu数的影响作用最显著;对于粒径种类相同形状不同的颗粒,立方体颗粒组成的多孔介质孔隙率对Nu数的影响作用远大于球形颗粒。总之,本文的研究工作对深入认识微尺度冲击射流、随机多孔介质的流动和换热特性具有指导意义。这些研究不但具有重要的工程应用价值,而且拓展了LBM在这些领域的研究范围。