多相和多組分流動(dòng)中熱質(zhì)傳遞的Lattice Boltzmann方法的數(shù)值研究.pdf

1、LatticeBoltzmannMethod(LBM)方法作為一種特殊的數(shù)值方法，以其自然并行、幾何邊界易處理、程序簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)在輸運(yùn)問題，尤其在多相流、多孔介質(zhì)、對流擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)等問題模擬上體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢及很強(qiáng)的適應(yīng)性，展示了其廣闊的應(yīng)用前景?；谝陨媳尘昂屯七M(jìn)該數(shù)值方法與工程應(yīng)用接軌的思路，本文分別以超重力旋轉(zhuǎn)填充床中液相膜流態(tài)下的微觀混合，以及核池沸騰中氣泡的增長、運(yùn)動(dòng)和變形等物理問題為研究背景，針對其中復(fù)雜多變的界面行為，

2、包括可溶的多組分界面和不互溶的多相流界面，依托LBM方法的優(yōu)勢和特點(diǎn)，對界面的變化以及界面?zhèn)髻|(zhì)和傳熱等物理過程進(jìn)行數(shù)值研究。根據(jù)實(shí)際問題的需要，先后提出、改進(jìn)和聯(lián)合了不同的LBM模型。利用這些模型數(shù)值研究相關(guān)問題，所獲結(jié)果不僅為LBM在多相多組分流領(lǐng)域的實(shí)用化奠定了一些基礎(chǔ)，也為相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)和理論研究提供了有意義的參考。 為檢驗(yàn)LBM多組分流模型在復(fù)雜流動(dòng)中的適應(yīng)性和對應(yīng)復(fù)雜邊界處理的便捷性，依托超重力旋轉(zhuǎn)填充床的工業(yè)背景，對床

3、內(nèi)液相膜流動(dòng)狀態(tài)下建立的液相組分間層狀擴(kuò)散反應(yīng)模型進(jìn)行合理擴(kuò)展，將對流傳質(zhì)引入模型建立對流擴(kuò)散傳質(zhì)模型。以此模型為基礎(chǔ)對填料絲的強(qiáng)化對流傳質(zhì)作用進(jìn)行了數(shù)值研究。通過引進(jìn)反映宏觀混合效率的函數(shù)，量化分析了填料絲形狀和尺寸在其強(qiáng)制對流傳質(zhì)中的作用。結(jié)果對旋轉(zhuǎn)填充床的填料設(shè)計(jì)及其傳質(zhì)的數(shù)值研究工作有參考價(jià)值，對其它填料的設(shè)計(jì)亦有啟示作用。 由于LBM多組分模型在研究組分傳質(zhì)時(shí)缺乏對流動(dòng)混合效率的記憶性，本文構(gòu)造了串行競爭反應(yīng)的LBM模

4、型。應(yīng)用該模型分別對填料主體區(qū)和端效應(yīng)區(qū)的微觀混合和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值研究。在主體區(qū)，采用層狀擴(kuò)散模型進(jìn)行了模擬，與對應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論和其它數(shù)值結(jié)果比對分析，證明了算法的有效性。在端效應(yīng)區(qū)，基于強(qiáng)制對流擴(kuò)散反應(yīng)模型對端效應(yīng)區(qū)的強(qiáng)制對流傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了積極的探索。初步探索了填料絲的強(qiáng)制對流傳質(zhì)作用，證明了LBM模型對該問題的適應(yīng)性。同時(shí)模擬結(jié)果對研究分散后液體微元的傳質(zhì)有參考意義，為研究分散傳質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。為進(jìn)一步研究填料絲形狀和幾何尺寸對

5、其強(qiáng)制對流作用的影響提供了有利的數(shù)值工具，另外該模型可以在相似的傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。 為研究LBM的傳熱模型，本文將改進(jìn)的LBM方程引入LBM熱模型，在對應(yīng)的宏觀傳熱方程中消除了一階非線性誤差項(xiàng)，以此為思路提出了兩個(gè)二階精度熱模型。通過Rayleigh-Benard對流數(shù)值試算，初步探索了這兩個(gè)二階精度和對應(yīng)一階精度熱模型的傳熱特征和適應(yīng)性，并做了對比分析。在Ra數(shù)極高或熱傳導(dǎo)系數(shù)極大時(shí)，采用這三個(gè)熱模型計(jì)算的Nu數(shù)與

6、經(jīng)驗(yàn)值均有較大偏差。分析LBM對應(yīng)宏觀熱傳導(dǎo)方程的截?cái)嗾`差后，本文在平衡分布函數(shù)中引進(jìn)一個(gè)調(diào)節(jié)因子。通過調(diào)節(jié)對應(yīng)宏觀傳熱方程的截?cái)嗾`差項(xiàng)系數(shù)，很好的校正了Nu數(shù)的計(jì)算偏差，提高了熱模型模擬精度，拓展了模擬范圍，增強(qiáng)了LBM作為一個(gè)數(shù)值方法在解決傳熱問題中的適應(yīng)性。 聯(lián)合上述熱模型，對大密度比多相流LBM模型進(jìn)行改造，構(gòu)造了一個(gè)能描述傳熱主導(dǎo)相變的大密度多相流LBM復(fù)合模型。在復(fù)合模型中，基于Stefan邊界假設(shè)以傳熱主導(dǎo)相變，相

7、變作為一個(gè)源項(xiàng)被添加在C-H方程中以相序參數(shù)的變化來描述兩相相變，同時(shí)在LBM熱模型中考慮對應(yīng)的相變潛熱。這種相變處理方式可以自動(dòng)追蹤相變引起的界面變化，比其它處理方法簡潔且物理背景清晰。應(yīng)用該復(fù)合模型數(shù)值研究了過熱液體中單氣泡增長、運(yùn)動(dòng)和變形機(jī)理與氣液兩相物理參數(shù)(如動(dòng)力粘性系數(shù)、表面張力和Jacob數(shù)等)的相互關(guān)系。 通過聯(lián)合和調(diào)整Briant的部分浸潤性邊界處理，本文應(yīng)用多相流復(fù)合LBM模型對水平過熱壁面上氣泡的增長和躍離