格子Boltzmann方法理論及其在泥石流研究中的應(yīng)用.pdf

1、泥石流是普遍存在于山區(qū)的一種突發(fā)性自然現(xiàn)象。它是不同于通常的牛頓流體，運(yùn)動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)非線性的特殊流體。格子Boltzmann方法，作為一種從微觀領(lǐng)域出發(fā)的求解流體力學(xué)問(wèn)題的新數(shù)值方法，可能成為求解泥石流這一類特殊流體力學(xué)問(wèn)題的全新方法。 本文根據(jù)泥石流的非線性特征以及泥石流入?yún)R主河的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)平衡態(tài)分布函數(shù)、非平衡態(tài)函數(shù)等Boltzmann模型因子進(jìn)行了改造，建立了幾種各具特色的格子Boltzmann模型，成功模擬了泥石流的一維

2、運(yùn)動(dòng)過(guò)程，二維堆積過(guò)程，以及泥石流入?yún)R主河的過(guò)程。 本文的工作主要包括： 1、針對(duì)泥石流的非線性特征，以及泥石流入?yún)R主河的復(fù)雜性，從格子Boltzmann方法的理論可以看出：格子氣方法不適合應(yīng)用于泥石流的研究，格子BGK方法用于泥石流及泥石流入?yún)R主河的研究具有一定的可行性；增強(qiáng)碰撞算子格子Boltzmann方法用于泥石流及泥石流入?yún)R主河的研究，必須對(duì)其進(jìn)行改造和創(chuàng)新。 2、通過(guò)求解Burgers方程、求解一維水擊

3、現(xiàn)象的偏微分方程組，以及模擬主河清水的運(yùn)動(dòng)，探討了格子Boltzmann方法在牛頓流體中的應(yīng)用。從建立上述三個(gè)格子Boltzmann模型可以看出：如何構(gòu)造平衡態(tài)分布函數(shù)，使其反映了流體運(yùn)動(dòng)的非線性特征，是建立合理的泥石流格子Boltzmann模型的核心問(wèn)題。 3、針對(duì)一維粘性泥石流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和二維泥石流堆積過(guò)程，設(shè)計(jì)了兩種格子Boltzmann模型：(1)設(shè)計(jì)了平衡態(tài)分布函數(shù)是泥深和速度的非線性函數(shù)的一維格子Boltzmann模

4、型，該模型成功獲得了不同斷面的水深和流速隨時(shí)間的變化曲線；(2)設(shè)計(jì)了非平衡態(tài)分布函數(shù)是泥深和流速梯度的線性函數(shù)的二維格子Boltzmann模型，該模型成功獲得了堆積扇橫剖面分層結(jié)構(gòu)圖，模擬了泥石流的堆積過(guò)程。 4、針對(duì)泥石流入?yún)R主河，開(kāi)展多組入?yún)R角度不同的模型實(shí)驗(yàn)。從模型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出：(1)主河與泥石流支溝的流量比、主河水流的速度、以及入?yún)R角度等因素對(duì)泥石流入?yún)R主河相互作用機(jī)制的影響；(2)入?yún)R角為450時(shí)泥石流與主河交匯

5、的流動(dòng)特性，與90°交匯時(shí)的流動(dòng)特性有本質(zhì)不同；(3)入?yún)R角為30°時(shí)泥石流與主河交匯的流動(dòng)特性，與60°交匯時(shí)的流動(dòng)特性具有相似性。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：針對(duì)垂直主河方向的速度與順主河方向流速差異不同應(yīng)建立不同的格子Boltzmann模型；主河清水不僅對(duì)泥石流運(yùn)動(dòng)速度具有影響，而且對(duì)泥石流結(jié)構(gòu)造成破壞，在處理過(guò)程中具有一定的困難和復(fù)雜性。 5、針對(duì)垂直主河方向的速度與順主河方向流速差異，以及主河清水的處理方式，設(shè)計(jì)了不同的格子Bolt

6、zmann模型：(1)設(shè)計(jì)了平衡態(tài)分布函數(shù)是速度、密度、動(dòng)量梯度的非線性函數(shù)的格子Boltzmann模型，該模型成功模擬了90°交匯時(shí)泥石流入?yún)R主河的過(guò)程，為研究泥石流入?yún)R主河的運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供一種新手段。(2)設(shè)計(jì)了混合格子Boltzmann模型，該模型模擬45°時(shí)泥石流入?yún)R主河的現(xiàn)象，為分析不同角度下泥石流入?yún)R主河的相互機(jī)制提供一種新手段。(3)對(duì)空間引入旋轉(zhuǎn)變換，建立了映射格子Boltzmann模型，該模型模擬了30°交匯時(shí)和60°交