面向空腔流場(chǎng)和聲場(chǎng)數(shù)值模擬的格子Boltzmann方法研究.pdf

1、電回≥誨爻龜天冬博士學(xué)位論文 D O C T O R A L D I S S E R T A T I o N論文題目 亟魚(yú)至墮速塹壟應(yīng)堡墼魚(yú)搓塑鮑格子B o ] t z m a n n 方法研冤學(xué)科專(zhuān)業(yè) 主塹蘭壁作者姓名 韭墨基指導(dǎo)教師 墊盤(pán)塾塾焦：鲞±塾授答辯日期 ! ! ! ! ! ：! ! 型摘要( 3 ) 基于插值和T a y l o r 展開(kāi)的格子B o l t z m a n n 方法為了能夠在非均勻格子空間內(nèi)使用

2、格子B o l t z m a n n 方法，提出了基于插值和T a y l o r 展開(kāi)的格子B o l t z m a n n 方法。使得與格點(diǎn)位置和格點(diǎn)速度相關(guān)的權(quán)系數(shù)只需在進(jìn)行遷移和碰撞的往復(fù)循環(huán)前計(jì)算一次，而且保持了標(biāo)準(zhǔn)格子B o l t z m a n n 方法的局部性和并行性計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槭褂玫氖欠蔷鶆蚓W(wǎng)格，對(duì)于復(fù)雜的邊界問(wèn)題特別有效。由于和格子模型沒(méi)有直接關(guān)系，所以可應(yīng)用在任何型式的格子模型中。使用基于插值和T a y

3、 l o r 展開(kāi)的格子B o l t z m a n n 方法，能夠合理布置網(wǎng)格大小，提高計(jì)算效率。通過(guò)對(duì)二維方柱繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了這個(gè)方法的有效性，預(yù)示了該方法在非均勻網(wǎng)格的計(jì)算中進(jìn)一步工程應(yīng)用的前景。( 4 ) 格子B o l t z m a n n 方法的程序?qū)崿F(xiàn)及數(shù)值算例設(shè)計(jì)了格子B o l t z m a n n 方法的算法及程序流程，并用F o r t r a n 語(yǔ)言編寫(xiě)了需要的核心計(jì)算程序。介紹了程序計(jì)算得到大量

4、數(shù)據(jù)后的后處理技術(shù)。復(fù)雜的后處理選用了目前成熟的商業(yè)軟件T e c p l o t 和O r i g i n 。用T e c p l o t 繪制面圖，用O r i g i n 繪制線(xiàn)圖以及做快速傅立葉變換。使用方腔頂蓋驅(qū)動(dòng)流作為算例進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果 與其他方法的模擬結(jié)果相符，說(shuō)明了采用本文所提方法進(jìn)行空腔流場(chǎng)模擬的可行性。( 5 ) 應(yīng)用驗(yàn)證——汽車(chē)門(mén)縫空腔流氣動(dòng)噪聲模擬及與N A S A 試驗(yàn)對(duì)比參照N A S A ／C P

5、2 0 0 4 —2 1 2 9 5 4 提供的試驗(yàn)結(jié)果，用本文研究的格子B o l t z m a n n 方法模擬了氣流經(jīng)過(guò)汽車(chē)門(mén)縫的空腔所產(chǎn)生的空腔流場(chǎng)及氣動(dòng)聲場(chǎng)。形象地展示了腔口的剪切層脈動(dòng)，腔口的剪切層振動(dòng)與空腔諧振模式耦合，這些現(xiàn)象與離散頻率譜的最高峰值相關(guān)，而赫爾姆霍茨共振現(xiàn)象并不突出。揭示了剪切層振動(dòng)是空腔周?chē)鷼鈩?dòng)噪聲產(chǎn)生的主要根源。通過(guò)對(duì)不同來(lái)流速度和邊界層厚度的研究，發(fā)現(xiàn)離散頻 率譜最高峰值的S t r o u h

6、a l 數(shù)隨著來(lái)流速度的增加而減小，隨著邊界層厚度的減小而增加。本文的模擬結(jié)果與N A S A 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相符。本文在充分吸收和借鑒前人成果的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究了格子B o l t z m a n n 方法的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在誤差估計(jì)、非均勻網(wǎng)格模型方面取得了新的理論成果；設(shè)計(jì)了相應(yīng)的算法及編寫(xiě)了必需的核心計(jì)算程序：在汽車(chē)門(mén)縫的空腔流氣動(dòng)噪聲中得到了應(yīng)用驗(yàn)證：建立了用格子B o l t z m a n n 方法模擬空腔流體流動(dòng)及氣動(dòng)噪聲