轴对称多相流格子Boltzmann模型及应用研究

论文摘要

多相流体流动在自然界和工程领域中是普遍存在的,如强化采油过程、液滴在液膜上的飞溅过程和微通道中液滴或者气泡的产生等,其吸引了科学和工程领域相关学者的广泛关注。多相流体流动问题往往牵涉到复杂的相界面变化,这使得实验方法及传统的数值模拟方法在解决这类问题时存在一定的限制。随着计算机技术的迅猛发展,数值模拟方法受到了很大的关注,尤其是格子Boltzmann（LB）方法。由于LB算法的简单性,并行性能好和复杂边界的简单实现,这使得其在处理多相流体流动问题时更具优势。为了进一步地完善LB方法理论体系,本文在Allen-Cahn（A-C）相场理论的基础上提出了一种新的模拟轴对称多相流的LB模型。这个模型最主要的特点是它能够处理大密度比的多相流,这是之前的所有模型所不能解决的。目前的模型利用两个LB演化方程,一个用来求解流体界面,另外一个用来求解流体动力学参数。为了有效地模拟轴对称多相流体流动,合适的源项和平衡态分布函数被引入到追踪界面的LB方程中,与此同时,一个简单高效的外力项分布函数被引入到求解动力学参数的LB方程中。与大多数现有LB模型相比,本文模型中由轴对称效应引起的源项以及外力项均不包含梯度项,简化了计算。此外,为了增强模型的数值稳定性,多松弛模型被应用到碰撞算子中。通过Chapmann-Enskog分析,目前的多松弛LB模型能够准确地恢复到轴对称的A-C和Navier-Stokes方程。一系列的数值算例,包括静态液滴,液滴振荡,Rayleigh-Plateau不稳定性,气泡上升,被用来测试目前模型的准确性。我们首先模拟了密度比1000的静态液滴这一稳态问题,发现目前模型能够准确捕捉界面,相比先前的轴对称模型能实现更小的的虚假速度。紧接着模拟两个动态问题,即液滴碰撞和Rayleigh-Plateau不稳定性。模拟结果表明,该模型能较好地预测在大密度比范围内液滴振荡频率和产生的子液滴大小。最后,我们模拟了密度比为1000的浮力驱动的单个气泡的上升。该模型成功地再现了一些气泡动力学过程,数值模拟结果与实验结果吻合地很好。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李洋

导师: 徐江荣

关键词: 格子方法,轴对称多相流,相场理论,分析,单气泡上升

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 杭州电子科技大学

分类号: O359

DOI: 10.27075/d.cnki.ghzdc.2019.000050

总页数: 55

文件大小: 9033k

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