基于格子Boltzmann方法的多孔介質REV尺度的流動與強化傳熱研究.pdf

1、多孔介質內的流動和傳熱是自然界中十分常見的一種現(xiàn)象，其應用涉及化學工程，石油開采，農田水利工程，生物組織內液體的復雜流動等等?？刂屏黧w流動狀態(tài)和強化傳熱是流動和傳熱領域內非常關鍵的兩類問題。有研究表明，利用多孔介質可以達到減阻及強化傳熱的目的，但是對如何有效利用多孔介質及其物理機理并沒有系統(tǒng)的研究。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，數(shù)值模擬法因成本低、試驗周期短、參數(shù)選擇具有可控性和靈活性等優(yōu)點日益受到人們的重視。目前多孔介質流動和傳熱問題的數(shù)

2、值模擬研究主要分為表征體元（REV)尺度和孔隙尺度兩類?？紫冻叨壬系难芯啃枰缽碗s的介質邊界，計算量巨大，難以應用于實際，因此工程計算多采用REV尺度。鑒于此，本文的工作主要是基于REV尺度進行的。
　　 作為一種新興的數(shù)值研究方法，格子Boltzmann方法(Lattice BoltzmannMethod，LBM)由于其具有許多獨特的優(yōu)勢已被證實非常適合于用來處理多孔介質內的流動和傳熱問題。但是，如同其他數(shù)值方法一樣，LBM

3、的理論也存在一些不足，現(xiàn)有的LB模型一般針對性都很強，比較適合于一些特定的物理問題。比如，針對工程中常見的多孔介質圓管內傳熱問題，并沒有完善的LB模型來進行有效模擬。正是基于這一考慮，本文構造了一類REV尺度軸對稱熱LB模型，在此基礎上，利用本文發(fā)展的模型對圓管內強化傳熱進行了研究，并對如何利用多孔介質對流動進行控制等前沿問題也進行了初步的探索。本文的工作主要包括以下幾點：
　　 首先，在格子Boltzmann方法的相關理論方面

4、：
　　 (1)提出了一類適合于多孔介質的弱可壓軸對稱熱LB模型，該模型形式簡單，不含復雜外力梯度項，計算穩(wěn)定。解決了現(xiàn)有模型的局限性，完善了LBM在軸對稱領域的理論。
　　 (2)進一步提出了一類適合于多孔介質的不可壓軸對稱LB模型。該模型可以有效克服壓差較大所產生的問題，采用外力部分矯正的方法可以避免壓力和速度的耦合求解，使得計算更加簡單。這些理論的完善和發(fā)展為推動LBM在多孔介質圓管內傳熱的應用奠定了必要的基礎。<

5、br>　　 其次，在非線性滲流的數(shù)值研究方面：
　　 (1)研究了覆蓋多孔介質的方柱繞流問題，分析了多孔介質厚度等重要參數(shù)對流場變化的影響，發(fā)現(xiàn)了這些參數(shù)中Darcy（Da)數(shù)的影響最為明顯，找到了阻力系數(shù)（Cd)和升力系數(shù)(Cl)存在最大值的Da數(shù)變化范圍，為利用多孔介質降低繞流柱體表面阻力提供了一定的理論依據(jù)。
　　 (2)研究了充滿多孔介質的變粘性Rayleigh-Benard對流問題，分析了Prandtl(Pr

6、)數(shù)、粘性隨溫度變化時流場和溫度場呈現(xiàn)出的不同變化規(guī)律。數(shù)值結果表明粘性隨溫度變化對傳熱所產生的影響不容忽略；進一步提出了一個等價的Rayleigh（Ra）數(shù)關系式，可以將考慮粘性變化和不考慮粘性變化兩種情況得到的結果統(tǒng)一起來，避免重新計算。這些結果對實際中的工程問題具有理論指導意義。
　　 (3)為了研究圓管內插入多孔介質對強化傳熱的影響，前面發(fā)展的軸對稱熱LB模型剛好為模擬這類問題提供了很好的計算方法。由于在模擬這類問題時一

7、般計算量都很大，單個CPU計算效率很低，本文采用了具有超強數(shù)據(jù)處理能力并支持復雜計算的先進計算設備GPU（圖形處理器）。研究結果表明：圓管內插入多孔介質在強化傳熱的同時也增加了流動阻力。在工程實際中，需要平衡這兩者之間的關系，以到達最優(yōu)的換熱效果。
　　 總之，本文利用格子Boltzmann方法研究了REV尺度多孔介質內的流動和傳熱問題，為推動該方法在滲流領域中的應用作出了許多有益的嘗試。針對多孔介質圓管內的軸對稱流動分別提出了