基于格子Boltzmann方法的钝体绕流数值模拟研究

论文摘要

在工程实践中,许多问题都与钝体的非定常流动现象有着密切的关系。特别对于复杂流场内,如槽道内的钝体绕流,靠近固体壁面处的钝体绕流,以及钝体柱群绕流现象的研究等,都备受国内外科研工作者的注目。本文采用近二十年发展起来的格子Boltzmann方法(LBM),对低雷诺数情况下,复杂流场内的钝体绕流问题进行了系统而深入的研究。本文首先数值模拟了雷诺数分别为Re=100和200情况下,单个方柱在无边壁限制的自由流场内的绕流问题,并将所得到的计算结果,包括阻力系数、升力系数以及涡脱落频率(Strouhal数)与现有实验所得结果和其他数值方法模拟所得结果进行了对比,从而验证格子Boltzmann方法在解决该类问题的适用性,同时也为后续复杂流场内的钝体绕流问题的数值模拟提供一个可信的依据。其次,针对二维平板间低雷诺数(Re=100)方柱绕流问题,分析了在三种不同阻塞比下,平板边壁对方柱的升、阻力系数、涡脱落频率和尾涡流场的影响。结果表明随着阻塞比的增加,阻力系数和涡脱落频率均增大,而升力系数却随之减小。计算所的数据与相关实验数据比较后给出了相一致的结果。接下来,对自由流场内以及平板间的串列双方柱绕流问题(Re=100)进行了数值模拟。着重研究了双方柱的间隙比以及平板间的阻塞比对上、下游方柱绕流流动特性的影响。结果显示存在着一个临界间隙比,当间隙比大于此值时,自由流场内的上游方柱开始出现漩涡脱落。而对于平板间的双方柱,当间隙比小于此值时,并没有出现漩涡脱落现象;当间隙比大于此值时,上游和下游方柱同时发生漩涡脱落。此外,平板间的阻塞比也对上游和下游的方柱的阻力系数、升力系数,以及涡脱落频率都产生非常明显的影响。最后,对平板附近的矩形柱绕流问题进行了数值模拟(Re=200),分析了平板与柱体间距对矩形柱的升、阻力系数以及涡脱落频率的影响。结果还显示存在一个临界间隙比,当间隙比低于此临界值时,柱体后方不再有涡脱落,流场变得平稳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 复杂流场内钝体绕流的研究状况
• 1.2.1 槽道内钝体绕流的研究
• 1.2.2 串列双钝体绕流的研究
• 1.2.3 平板固壁附近钝体绕流的研究
• 1.3 格子Boltzmann方法
• 1.4 格子Boltzmann方法的发展以现状
• 1.4.1 格子Boltzmann方法的历史
• 1.4.2 格子Boltzmann方法的国内外发展和现状
• 1.4.3 格子Boltzmann方法的应用
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 格子Boltzmann方法基本思想及边界处理
• 2.1 格子Boltzmann方法
• 2.1.1 LBGK方程
• 2.1.2 二维9 速度模型（D2Q9）
• 2.2 格子Boltzmann方法的边界处理
• 2.2.1 周期格式
• 2.2.2 反弹格式
• 2.2.3 边界自适应格式
• 2.3 力的计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 程序验证及单方柱绕流计算
• 3.1 程序及算法
• 3.1.1 算法及程序框图
• 3.1.2 收敛判据
• 3.2 单方柱绕流计算
• 3.2.1 涡量图及流线图
• 3.2.2 升力系数、阻力系数及St
• 3.2.3 网格依赖性测试
• 3.3 本章小结
• 第4章 格子Boltzmann方法模拟平板间钝体绕流
• 4.1 平板间单方柱绕流问题
• 4.1.1 物理模型及边界条件
• 4.1.2 结果分析与讨论
• 4.2 平板间串列双方柱绕流问题
• 4.2.1 物理模型及边界条件
• 4.2.2 结果分析与讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 格子Boltzmann方法模拟平板附近钝体绕流
• 5.1 平板附近矩形柱绕流问题
• 5.1.1 物理模型及边界条件
• 5.1.2 结果分析与讨论
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢