基于Boltzmann原理烟雾蔓延的仿真

论文摘要

格子Boltzmann方法是近年来解决流体流动的一个新的数值模拟方法。该方法因为边界条件处理简单,实施容易并具有并行性的特点,受到国内外学术界的广泛青睐。格子Boltzmann方法已应用到许多领域,解决一些传统数值方法受限的流体流动问题。该方法已在流体流动和换热、多相流、多孔介质流等方面取得较大的成就。本文就是以格子Boltzmann方法为基础,模拟多相流的流动。自流体力学诞生,烟雾就是很多学者的研究对象。但先前模拟多相流流动的格子Boltzmann模型只考虑了气相对颗粒相的影响,而忽略了颗粒相对气相流动的影响,因此本文采用一种新的耦合模型对烟雾流动进行模拟。本文的主要内容包括以下三个方面：首先,本文从数值精确度、数值稳定性和收敛速度三方面分别对D2Q9模型、He_Lou模型、D2G9模型等几个不可压模型进行比较,从比较结果中得出D2G9模型的数值误差最小,稳定性最好,系统收敛速度也最快。因此本文中选用D2G9模型对烟雾进行仿真。此外对启发式格式、动力学格式和非平衡外推格式等三种不同的边界处理方法进行比较,从对比结果中可以得出非平衡外推格式的优势最为明显,因此通过采用非平衡外推格式对物理边界进行处理。其次,通过双耦合方法对D2G9模型进行修正。首先我们计算出无颗粒的气相流场的分布函数,然后通过采用PSIC方法计算气相与颗粒相之间的作用力,其次将这个外力加入到有颗粒相的流场内进行迭代,直至系统达到稳定状态,从而计算出气相和颗粒相的分布函数以及宏观速度。并采用这种耦合模型对矿井下内的巷道进行烟雾模拟仿真,得出令人满意的烟雾流动图像。最后,提出分块耦合算法原理,并根据不同的巷道拓扑结构,将其划分为若干规则子区域,分别在各子区域中进行独立的演化过程,其次在每个子区域间的边界上进行数据交换,从而获得该区域内所有粒子的分布函数,得出模拟仿真结果。此外还将此方法应用到并行性计算,提高格子Boltzmann方法的计算效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外烟雾模拟研究现状
• 1.3 本文的目的
• 2 格子BOLTZMANN方法
• 2.1 BOLTZMMANN的方法及其发展历史
• 2.2 元胞自动机（CELLUARAUTOMATA）
• 2.3 格子气自动机（LATTICE GAS AUTOMATA,LGA）
• 2.4 格子BOLTZMANN方法（LATTICE BOLTZMANN）
• 2.5 格子BOLTZMANN的方法的应用
• 2.6 本章小结
• 3 建立井下巷道LBM烟雾蔓延仿真模型
• 3.1 确定烟雾仿真的格子BOLTZMANN模型
• 3.1.1 DnQb
• 3.1.2 Zou-Hou模型
• 3.1.3 Chen-Ohashi模型
• 3.1.4 He-Luo模型
• 3.1.5 D2G9模型
• 3.2 数值比较
• 3.3 烟雾模拟的边界处理
• 3.3.1 启发式方法
• 3.3.2 动力学格式
• 3.3.3 非平衡态外推方法
• 3.4 数值实验
• 3.5 本章小结
• 4 修正井下巷道LBM烟雾蔓延仿真模型
• 4.1 着色模型
• 4.2 伪势模型
• 4.3 耦合模型
• 4.3.1 流场计算
• 4.3.2 颗粒的计算
• 4.3.3 烟雾浓度场模型
• 4.4 二维井下巷道烟雾仿真实例
• 4.4.1 结果分析
• 4.5 本章总结
• 5 复杂巷道LBM烟雾蔓延仿真模型
• 5.1 复杂巷道边界处理方法
• 5.2 巷道分块耦合算法
• 5.2.1 巷道的拓扑结构及其分块方法
• 5.2.2 公共边界处理方法
• 5.3 模型参数分析
• 5.4 二维井下复杂巷道烟雾仿真实例
• 5.4.1 数值结果
• 5.5 并行性算法
• 5.6 本章总结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 期望
• 致谢
• 参考文献
• 作者读研期间发表的学术论文