格子Boltzmann方法模拟多孔介质惯性流的边界条件改进

格子Boltzmann方法可以有效地模拟水动力学问题,边界处理方法的选择对于可靠的模拟计算至关重要.本文基于多松弛时间格子Boltzmann模型开展了不同边界条件下,周期对称性结构和不规则结构中流体流动模拟,阐述了不同边界条件的精度和适用范围.此外,引入一种混合式边界处理方法来模拟多孔介质惯性流,结果表明:对于周期性对称结构流动模拟,体力格式边界条件和压力边界处理方法是等效的,两者都能精确地捕捉流体流动特点;而对于非周期性不规则结构,两种边界处理方法并不等价,体力格式边界条件只适用于周期性结构;由于广义化周期性边界条件忽略了垂直主流方向上流体与固体格点的碰撞作用,同样不适合处理不规则模型;体力–压力混合式边界格式能够用来模拟周期性或非周期性结构流体流动,在模拟多孔介质流体惯性流时,比压力边界条件有更大的应用优势,可以获得更大的雷诺数且能保证计算的准确性.     

基于热格子Boltzmann方法的自然对流数值模拟

对Eggels和Somers提出的热格子Boltzmann格式进行了改进. 在不可压缩流动的假设下,提出了一种新的温度平衡分布函数,可以克服压缩性对温度统计的影响,并且相应地修正了统计宏观温度的方法. Eggels和Somers的方法对速度和温度均采用半步长反弹格式边界条件,适合无滑移的速度边界条件.但是对温度采用该边界条件在物理本质上显得不够准确,所以在边界上对二者统一采取算法既简单又容易实现的非平衡态外推格式,同时可以与Boltzmann格式的整体二阶精度保持一致. 最后,利用改进的热格子Boltzmann方法(TLBM)模拟了Ra=10^6和Pr=0.71(空气)的方腔中的自然对流,模拟得到的流动参数与其它数值方法的结果吻合得很好,表明改进的热格子Boltzmann方法可以有效准确地模拟非等温流动.      

黏弹性流体扩展及收缩流动的格子Boltzmann模拟分析

本文应用格子Boltzmann 方法(LBM)并结合Oldroyd-B 模型,讨论了不可压缩的 Navier-Stokes 方程和平流扩散本构方程的解耦及各自求解方法,以及两类问题的边界处理格式,实现了黏弹性流体在二维1:3 扩展流道以及3:1 收缩流道中的流动的数值模拟．获得了不同雷诺数Re 和维森伯格数Wi 以及黏度vs 下流动的流线分布,计算给出了漩涡的涡心位置和大小,并分析了参数Re、Wi 和vs 对流动特点的影响．模拟结果表明本文所采用模型和边界处理方法具有良好的精度和稳定性．     

过渡区气体微尺度流动的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)对过渡区内的微尺度气体流动进行了模拟研究. 在已有滑移区微流动LBM模型中引入Knudsen层速度修正,选取合适的修正函数表达式并依据动理论确定了可调参数的合理取值. 在边界条件的处理格式上,采用了适合过渡区模拟的高阶滑移边界的替代格式来捕捉过渡区微流动的滑移速度,避免了直接求解高阶速度导数项的数值困难. 通过对两类不同的微流动进行模拟的结果表明:与数值解吻合得较好,尤其是对Kn>0.5微流动滑移速度的预测,与已有LBM的模拟结果相比有明显的提高.      

颗粒流体系统的格子Boltzmann数值方法研究进展

介绍Euler-Lagrange框架下基于格子Boltzmann方法LBM (Lattice Boltzmann Method)发展的两种不同层次(即不同时-空尺度和精度)的颗粒流体系统离散模拟方法,即格子Boltzmann颗粒解析直接数值模拟(LB-based PR-DNS)方法和格子Boltzmann离散颗粒模拟(LB-based DPS)方法,总结了Euler-Euler框架下基于格子Boltzmann双流体模型(LB-based TFM)方面的探索研究。LB-based PR-DNS方法中颗粒尺寸远大于格子步长,能够直接解析出流体在颗粒表面的流动以及颗粒所受完整的动力学信息;LB-based DPS方法中格子步长远大于颗粒直径,其在计算精度、时间耗费和计算效率之间能达到很好的平衡,可获得流体的宏观平均流动及颗粒的运动轨迹信息。LB-based DNS和DPS是探索颗粒流体系统的有力手段,但LB-based TFM应用于模拟颗粒流体系统仍需进一步探索。     

基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟研究中的应用

对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述, 并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析. 结果表明, Shan-Chen模型易于耦合微观条件下占主导作用的微观力, 拓宽了格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的应用. 同时, Shan-Chen模型在润湿性边界条件表征方面的优势, 使得这种方法在微结构表面的滑移效应模拟方面具有很好的应用前景.     

缝洞型多孔介质中多相流的有限体积法数值模拟

本文研究的碳酸盐岩油藏储集体属于缝洞型多孔介质.这类缝洞型多孔介质由裂缝、溶蚀孔洞和低孔隙度低渗透率的基岩组成.裂缝是空隙流体流动的主要通道;溶蚀孔洞大小从几厘米到数米不等,渗透率和孔隙度都很高,是流体主要的储集空间.由于缝洞型多孔介质空隙空间的复杂性和强非均质性,数值计算中基本控制方程的空间离散应采用非结构化网格的计算模型.本文采用有限体积法模拟缝洞型多孔介质中多相流体的流动,并给出了相应的单元中心格式有限体积法的计算公式.裂缝介质和溶洞介质中单元间多相流体的流动考虑为高速非达西流,其质量通量采用Forchheimer定律计算.非线性方程的离散选取全隐式格式,并采用Newton-Raphson迭代进行求解.通过两个二维模型注水驱油的数值模拟,验证了本文方法的有效性.     

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann(immersed boundary-lattice Boltzmann,IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准...     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明:插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.      

格子Boltzmann方法中基于内插值的曲线边界处理新方法

对格子Boltzmann方法提出了一种新的曲面边界条件处理方法。在笛卡尔坐标系中,这种处理方法是现有的格子Boltzmann方法有关边界条件处理与浸入式边界条件的混合,它采用内插值方法计算靠近物理边界的网格点速度,使其保证最低精度为二阶,然后利用格子Boltzmann方法中的边界条件技术得到相应的分布函数。由理论推导和数值计算表明,本文提出的方法比其他方法更稳定且具有二阶精度。     

不同壁面绕流特性的格子Boltzmann模拟研究

为了探讨不同壁面的绕流特性,针对粘性流场中,不同壁面诱导的涡脱落现象以及升阻力系数等流场特性进行了格子Boltzmann数值研究。利用基于分子动理论的格子Boltzmann方法(LBM)求解Navier-Stokes方程,实现对流体运动的描述,针对不同的壁面条件,分别采用不同的格子Boltzmann流-固壁面处理方法。采用Half-way反弹边界条件来处理平直壁面,而曲壁面则采用LBM与有限差分法相结合的形式进行处理,计入了壁面与标准网格不重合对结果造成的影响。开发相应的计算程序,计算结果与已发表文献结果吻合良好,验证了数值模型的正确性。同时,探讨了进出口边界与钝体中心的距离对结果的影响。对比分析了不同壁面的绕流模型中升阻力系数、斯托罗哈数和涡量云图等,并进一步研究了雷诺数条件的影响。结果表明,不同壁面的绕流特性具有明显差异,且同时受雷诺数的显著影响;一般地,平直壁面对于来流作出的响应更迅速。     

On the implementation of symmetric and antisymmetric periodic boundary conditions for incompressible flow

In this paper we consider symmetric and antisymmetric periodic boundary conditions for flows governed by the incompressible Navier-Stokes equations. Classical periodic boundary conditions are studied as well as symmetric and antisymmetric periodic boundary conditions in which there is a pressure difference between inlet and outlet. The implementation of this type of boundary conditions in a finite element code using the penalty function formulation is treated and also the implementation in a finite volume code based on pressure correction. The methods are demonstrated by computation of a flow through a staggered tube bundle.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

MEMS稀薄气体内部流动模拟中的信息保存法

首先综述了处理低速稀薄气体流动的一些方法: 线化Boltzmann方程方法、Lattice Boltzmann方法(LBM)、加滑移边界的Navier-Stokes方程、以及DSMC方法, 并讨论它们在模拟MEMS中过渡领域低速流动特别是内部流动所遇到的困难, 其中表明了LBM现有方案不适合模拟过渡领域中的MEMS流动问题. 信息保存(IP)法通过保存一个模拟分子所代表的大量分子的平均信息,克服了流速低使得信息噪声比小而引起统计模拟的困难. 本文给出了方法的一些理论证实. MEMS中内部流动的特点, 即流速低和大的长宽比的特点, 引起椭圆性问题, 即出入口边界条件相互影响需要协调的问题. 通过对(长约几千微米的)微槽道流动应用IP方法的算例,演示了采用守恒形式的质量守恒方程和超松弛法可成功地解决这一问题. 借助同样的方法,用IP方法求解了真实长度(1\,000\,$\mu$m)硬盘驱动器读写头在过渡领域的薄膜支撑问题, 压力分布与具有严格气体动理论基础的概括化Reynolds方程完全相符, 而在此之前, DSMC方法只对短的读写头(5\,$\mu$m)与Reynolds方程做了校验. 作者建议将原来用于求解读写头润滑问题的Reynolds方程退化来求解过渡领域中的微槽道流动问题, 从而提供了一个有严格气体动理论品性的检验方法来验证求解MEMS内部流动的各种方法.      

Consistent inlet and outlet boundary conditions for particle methods

In this paper, simple and consistent open boundary conditions are presented for the numerical simulation of viscous incompressible laminar flows. The present approach is based on an arbitrary Lagrangian-Eulerian particle method using upwind interpolation. Three kinds of inlet/outlet boundary conditions are proposed for particle methods, a pressure specified inlet/outlet condition, a velocity profile specified inlet/outlet condition, and a fully developed flow outlet condition. These inlet/outlet conditions are realized by using boundary particles and modification to the physical value such as velocity. Poiseuille flows, flows over a backward-facing step, and flows in a T-shape branch are calculated. The results are compared with those of mesh-based methods such as the finite volume method. The method presented herein exhibits accuracy and numerical stability.     

A boundary condition for arbitrary shaped inlets in lattice–Boltzmann simulations

We introduce a mass‐flux‐based inlet boundary condition for the lattice‐Boltzmann method. The proposed boundary condition requires minimal amount of boundary data, it produces a steady‐state velocity field which is accurate close to the inlet even for arbitrary inlet geometries, and yet it is simple to implement. We demonstrate its capability for both simple and complex inlet geometries by numerical experiments. For simple inlet geometries, we show that the boundary condition provides very accurate inlet velocities when Re?1. Even with moderate Reynolds number, the inlet velocities are accurate for practical purposes. Furthermore, the potential of our boundary condition to produce inlet velocities which convincingly adapt to complex inlet geometries is highlighted with two specific examples. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

Flow patterns and boundary conditions for inlet and outlet conduits of large pump system with low head

The flow patterns in the inlet and outlet conduits have a decisive effect on the safe, stable, and highly efficient operation of the pump in a large pumping station with low head. The numerical simulation of three-dimensional （3D） turbulence flow in conduits is an important method to study the hydraulic performance and conduct an optimum hydraulic design for the conduits. With the analyses of the flow patterns in the inlet and outlet conduits, the boundary conditions of the numerical simulation for them can be determined. The main obtained conclusions are as follows： （i） Under normal operation conditions, there is essentially no pre-swirl flow at the impeller chamber inlet of an axial-flow pump system, based on which the boundary condition at the inlet conduit may be defined. （ii） The circulation at the guide vane outlet of an axial-flow pump system has a great effect on the hydraulic performance of the outlet conduit, and there is optimum circulation for the performance. Therefore, it is strongly suggested to design the guide vane according to the optimum circulation. （iii） The residual circulation at the guide vane outlet needs to be considered for the inlet boundary condition of the outlet conduit, and the value of the circulation may be measured in a specially designed test model.     

模型燃烧室内瞬态紊流的大涡模拟

本文采用三种不同亚网格尺度模型对带有V型稳定器的模型燃烧室二维瞬态紊流流动进行了大涡模拟。并在交错网格系下用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程。数值研究拟不同型式入口速度分布和不同亚网格尺度模型下模型燃烧室二维瞬态紊流流场。计算结果表明不同入口速度分布和不同亚网格尺度模型对瞬态流场和出口速度分布有一定的影响。本文通过数值模拟,揭示了V型稳定器后旋涡的产生和脱落过程。通过计算结果及实验数据的比较可知,本文采用的亚网格尺度模型可以用来模拟模型燃烧室紊流流场及稳定器后面回流区的流动情况。     

A hybrid phase field multiple relaxation time lattice Boltzmann method for the incompressible multiphase flow with large density contrast

A hybrid phase field multiple relaxation time lattice Boltzmann method (LBM) is presented in this paper for simulation of multiphase flows with large density contrast. In the present method, the flow field is solved by a lattice Boltzmann equation. Concurrently, the interface of two fluids is captured by solving the macroscopic Cahn‐Hilliard equation using the upwind scheme. To be specific, for simulation of the flow field, an lattice Boltzmann equation (LBE) model developed in Shao et al. (Physical Review E, 89 (2014), 033309) for consideration of density contrast in the momentum equation is used. Moreover, in the present work, the multiple relaxation time collision operator is applied to this LBE to enable simulation of problems with large viscosity contrast or high Reynolds number. For the interface capturing, instead of solving another set of LBE as in many phase field LBMs, the macroscopic Cahn‐Hilliard equation is directly solved by using a weighted essentially non‐oscillatory scheme. In this way, the present hybrid phase field LBM shares full advantages of the phase field LBM while enhancing numerical stability. The ability of the present method to simulate multiphase flow problems with large density contrast is demonstrated by several numerical examples. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Experimental study of the effects of spanwise rotation on the flow in a low aspect ratio diffuser for turbomachinery applications

Two dimensional time accurate PIV measurements of the flow between pressure and suction side at different spanwise positions of a rotating channel are presented. The Reynolds and Rotation numbers are representative for the flow in radial impellers of micro gas turbines. Superposition of the 2D results at the different spanwise positions provides a quasi-3D view of the flow and illustrates the impact of Coriolis forces on the 3D flow structure. It is shown that the inlet flow is little affected by rotation. An increasing/decreasing boundary layer thickness is reported on the suction/pressure side wall halfway between the channel inlet and outlet. The turbulence intensity moves away from the suction side wall and remains close to the pressure side wall. The instantaneous measurements at mid-height of the rotating channel reveal the presence of hairpin vortices in the pressure side boundary layer and symmetric vortices near the suction side. Hairpin vortices occur in rotation in the pressure and in the suction side, for the measurement plane close to the channel bottom wall.