基于格子Boltzmann方法的非常規(guī)顆粒兩相流的機理研究.pdf

1、包含不同粒徑顆粒和多孔顆粒的氣固兩相流是自然界和多種工程技術領域中常見的一類流動，如大氣可吸入顆粒物控制等，都涉及這類復雜流動過程。由于此類問題的各相內部以及各相之間存在復雜的相互作用，加之顆粒復雜的孔隙結構，因此它是一類復雜的流-固耦合系統(tǒng)，深入認識其流動規(guī)律和內在機理面臨重大挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)的數值方法(如有限差分，有限元和有限體積等)在處理此類復雜流動問題時所存在的多尺度耦合困難、計算量大、并行效率低及流固耦合復雜等缺點，近十幾年發(fā)展

2、起來的格子Boltzmann方法(LBM)，由于其微觀本質和介觀特性已被證實適合用于具有非常規(guī)顆粒氣固兩相流的研究。
　　目前，雖然LBM在非常規(guī)顆粒氣固兩相流相關領域的研究取得了一些成果，但仍有一些基本問題尚未解決，比如模擬顆粒懸浮流的格子Boltzmann模型的性能評估，用于處理多孔運動顆粒流動問題的模型以及多孔顆粒的沉降等。本文正是基于這樣的研究現狀，在多松弛格子Boltzmann的框架下完善和發(fā)展LBM的相關理論，并對不同

3、粒徑和多孔顆粒的流動問題進行詳細的研究。論文的主要工作包括以下兩個方面：
　　首先，在LBM的相關理論模型方面：
　　(1)將描述軸對稱流動的單松弛格子Boltzmann模型拓展到多松弛格子Boltzmann模型，該模型不僅保持了形式簡單、外力項不含復雜梯度項的優(yōu)點，還提高了方法的數值穩(wěn)定性；
　　(2)對模擬顆粒懸浮流的三種常用格子Boltzmann模型的性能，包括精度，數值穩(wěn)定性、計算效率以及魯棒性進行了比較，這一

4、研究有助于認識這些模型的本質，并選取合適的模型。此外，通過模擬封閉腔內128個顆粒的沉降，驗證了多松弛模型處理顆粒群復雜系統(tǒng)的能力；
　　(3)提出了一類可處理多孔運動顆粒流動問題的多松弛格子Boltzmann模型，該模型消除了已有模型存在流體速度很小的限制，完善了LBM在多孔顆粒沉降、懸浮問題上的理論模型。
　　其次，在非常規(guī)顆粒氣固兩相流相關問題的數值研究方面：
　　(1)基于本文提出的多松弛軸對稱格子Boltzm

5、ann模型，研究了沿流向串列放置的兩顆粒繞流問題，著重分析了顆粒間距、顆粒粒徑比和雷諾數對兩顆粒的阻力系數和周圍流場的影響；
　　(2)采用多松弛模型研究了大小不同兩顆粒的拖曳-接觸-翻滾(Drafting, Kissing and Tumbling, DKT)過程，在兩種不同顆粒位置情形下，即大顆粒初始位于小顆粒上方，和小顆粒位于大顆粒上方，并結合同等大小顆粒沉降的結果，詳細分析了顆粒初始間距和顆粒粒徑比對DKT過程的影響，揭示

6、了DKT現象的幾種模態(tài)；
　　(3)采用本文提出的描述多孔運動顆粒流動的格子模型研究了單個和兩個可穿透顆粒，包括多孔顆粒和由固體核與外部多孔層構成的合成顆粒的沉降問題。對單個多孔顆粒，詳細分析了孔隙率和雷諾數對其沉降速度和阻力系數的影響，對單個合成顆粒，還分析了多孔層厚度的影響。針對兩個多孔顆粒和合成顆粒，考察了孔隙率和多孔層厚度對兩顆粒的DKT現象的影響。分析結果表明，兩個多孔顆粒的相互作用強度隨孔隙率增大而減弱，兩合成顆粒的相