基于格子Boltzmann方法的氣-液-固耦合動力學數(shù)值研究.pdf

1、氣-液-固耦合是一個多相流（氣相、液相和固相）研究問題，是水利機械、液壓機械、以及船舶與海洋工程等領域中的重要課題，直接與設備的防護和優(yōu)化設計相關。流體流經(jīng)水下結構物時，會發(fā)生繞流現(xiàn)象，造成結構上載荷的變化。載荷的波動，輕者會引起結構振動，重者甚至會造成結構的損毀。特別是在軍事裝備領域，即使是結構的振動，也將嚴重影響水下航行器（如潛艇）的深隱身性能，危及航行器和艦載人員的安全。受流場環(huán)境的影響，設備與流體間的相互作用是一個非常復雜的過程

2、，常伴隨氣泡的產(chǎn)生，如螺旋槳附近的空化氣泡、管道和閥門流中的氣泡等。因此，對氣-液-固耦合動力學的研究不但具有基礎的學術意義，而且能夠為實際工程應用提供一定的技術保障。氣-液-固耦合動力學研究的關鍵是耦合問題，即對流-固界面、氣-液界面，以及界面間的相互作用進行研究。界面的產(chǎn)生、運動、破裂和融合過程是一個表現(xiàn)在宏觀層面，卻決定于微觀層面的非常復雜的物理行為。目前，雖然主要依賴于實驗研究，但實驗研究的代價昂貴，而且受限于實驗條件和觀察手段

3、;理論研究是另一種主要研究手段，但其求解復雜，往往需要大量假設，受限于一般或者通解的情況。數(shù)值研究是區(qū)別于前兩種的第三種主要研究手段，隨著現(xiàn)代高性能計算機和數(shù)值計算方法的發(fā)展，其越來越被認為是研究多相流動力學過程和相關機理的重要手段。本文從水下界面運動特性研究的角度出發(fā)，采用基于分子動理論的格子Boltzmann方法(LBM)對流-固界面、氣-液界面和兩者間相互作用的多相耦合問題進行數(shù)值模擬研究。
　　格子Boltzmann方法常

4、被視為介于宏觀層面和微觀層面之間的一種介觀無網(wǎng)格粒子算法，它利用密度分布函數(shù)來確定流域內(nèi)的粒子分布，并通過多尺度展開，自下而上建立與宏觀控制方程，如Navier-Stokes方程的聯(lián)系。不同于傳統(tǒng)的有限差分、有限元和有限體積等數(shù)值方法，其具有微觀動理論特性，有著傳統(tǒng)數(shù)值方法無法比擬的優(yōu)點，如清晰的物理背景、天然的可并行性和靈活的參數(shù)可控性等。
　　針對氣-液-固耦合動力學研究的重要性，依托格子Boltzmann方法在計算流體領域內(nèi)

5、的優(yōu)勢，本文通過發(fā)展不同的數(shù)值模型，系統(tǒng)地開展了對流-固界面、氣-液界面以及兩種界面共存時運動特性的研究工作。主要的研究內(nèi)容和取得的成果有:
　　(1)提出了一種適用于處理靜止流-固界面的格子Boltzmann方法。在該方法中，根據(jù)Half-way反彈模型在實際物理邊界與毗鄰的流體節(jié)點位置之間建立一層虛擬邊界，并結合有限差分方法獲得虛擬邊界上的宏觀變量，以虛擬邊界代替實際邊界的壁面反彈過程，計入了對實際邊界相對于網(wǎng)格線偏移量的考慮

6、。該方法雖然適用于靜止流-固界面的處理，但也能拓展到對特定的運動流-固界面（即在運動過程中不涉及到流體節(jié)點和固體節(jié)點間的轉變）進行處理。基于一些經(jīng)典算例進行了驗證，包括平板間的Poiseuille流、平板間的Couette流、靜止圓柱繞流和旋轉Couette流。
　　(2)提出了一種適用于處理運動流-固界面的格子Boltzmann方法。在該方法中，引入了浸沒邊界方法，基于歐拉-拉格朗日坐標體系對流場中復雜運動界面進行描述。采用隱式

7、速度糾正算法，保證了流-固界面處的非滲透、非滑移的邊界條件。同時，采用多松弛系數(shù)矩陣代替單一的松弛系數(shù)提高方法的數(shù)值穩(wěn)定性，最終形成了一種基于隱式速度糾正的多松弛浸沒邊界-格子Boltzmann方法。通過一些經(jīng)典算例進行了方法驗證，并以此為基礎，研究了來流與旋轉平板間的耦合特性。
　　(3)提出了一種適用于處理氣-液界面的格子Boltzmann方法及其并行計算模型。該方法基于自由能多相流原理，利用兩組格子Boltzmann方程對整

8、個兩相流系統(tǒng)進行描述，其中一組用來求解計入了流場粘性和表面張力影響的Navier-Stokes方程，另一組用來求解Cahn-Hilliard方程。通過采用分步操作，提高了方法的數(shù)值穩(wěn)定性，并利用OpenMP多核共享內(nèi)存式并行計算技術，構建了處理氣-液界面的三維并行模型。通過Laplace定律、氣泡的形態(tài)等驗證了方法的可靠性，并以此為基礎，對單、雙氣泡的運動特性進行了研究。
　　(4)研究了狹域中氣泡運動特性，包括管道內(nèi)氣泡和壁面驅

9、動剪切流中的氣泡。通過管道內(nèi)氣泡運動特性的研究，一方面驗證了本文提出的界面處理方法在氣-液-固耦合系統(tǒng)中應用的可靠性，另一方面探究了阻塞率和偏心率對氣泡的拓撲變形和運動軌跡的影響。通過對壁面驅動剪切流中氣泡運動特性的研究，一方面驗證了Capillary數(shù)和雷諾數(shù)對氣泡變形的預報，另一方面對比了壁面驅動剪切流和自由場剪切流中氣泡的運動特性，探究了壁面的影響。
　　(5)研究了敞域中氣泡與平、曲壁面的耦合特性，通過改變氣泡與壁面結構的