基于格子Boltzmann方法的二维湍流及水波的数值模拟

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格子玻尔兹曼模型(Lattice Boltzmann Model,LBM)是近年来发展起来的一种模拟流体流动的新的数值算法,该方法继承和发展了格子气自动机模型,应用质量守恒、动量守恒等最基本的物理规律,在保证真实流体的基本特征的前提下,用简单的介观模型来模拟真实的流动,是一种完全不同的理论框架。与传统CFD方法相比较,该方法有许多优点,例如物理图象清晰、算法简单、编程容易,通过简单的移动和碰撞运算就能模拟许多复杂的物理现象;而且这种方法使用规则的网格进行流动模拟,计算网格生成容易;边界处理方便、压力可以直接求解;除此之外该方法还具有计算本地性的特点,使其非常适合于并行计算。但是无论在理论和应用上,LBM都还在不断地发展和完善,仍有许多问题需要解决,例如计算效率的提高、稳定性的论证、复杂边界条件和运动边界的处理等等。 本文分析和总结了LBM(Lattice Boltzmann Method)模拟一般流体力学问题的基本原理和方法,详细叙述了LBM中常用边界的处理方法。本文重点叙述了曲边界的处理,并用两种不同的方法对圆柱绕流问题进行了数值模拟,结果进行了对比。在此基础上,本文运用LBM方法对二维湍流实验进行了数值模拟,分析了能谱及涡度拟能,重现了二维湍流的逆串级能现象,并分析了涡量和厚度的相关性。此外,本文建立了一个浅水波方程新模型,应用该模型对浅水波中的溃坝问题及海啸的形成和传播进行了研究。结果表明此模型非常适宜用来解决浅水波问题,并具有广阔的应用范围。
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