后台阶流动传热的格子Boltzmann模拟

论文摘要

格子Boltzmann方法是一种新兴的数值模拟方法,属于计算流体力学和计算传热学的一个新的分支。格子Boltzmann方法与传统模拟方法不同,它基于分子动理论,具有清晰的物理背景。格子Boltzmann方法还具有天生的并行特性,以及边界条件处理简单、程序易于实施等优点。随着计算机技术的进一步发展,以及计算方法的逐渐丰富,格子Boltzmann方法将会取得更多成果,并为科技发展发挥更重要的作用。后台阶流动不仅是流体力学中复杂分离流的一个典型例子,同时也是许多工程领域中一类常见的流动现象。对于这类复杂分离流动,长期以来一直被人们视为研究的重点,目前在理论、实验和数值模拟等方面均取得了较丰富的成果。本文的目的在于运用格子Boltzmann方法,对二维的后台阶流动和传热问题进行具体的模拟研究,争取为进一步研究强化传热和流动减阻提供理论指导依据。本文首先介绍了后台阶流动的发展情况和研究现状,然后阐述了格子Boltzmann方法的内容,描述了几种具有代表性的数学模型。接着说明了格子Boltzmann方法在边界处理和数值稳定性方面的几点优势。接下来本文用格子Boltzmann方法验证和模拟了二维的后台阶流动和传热情况,对低Re数的情况进行了模拟计算。文章分别从单个台阶和复合台阶的角度出发,考虑到不同因素,如Re数,ER数,Pr数对流动和传热的影响,从而分别做了不同的比较,从模拟显示的结果来看,用格子Boltzmann方法能够很好和实际情况相吻合。进一步说明了格子Boltzmann方法在流动和传热方面应用的可行性,同时更加有力的说明了作为一种新兴的数值模拟方法的光明前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的背景及意义
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 台阶后再附着点位置
• 1.3.2 台阶后时均流动的旋涡结构
• 1.3.3 台阶后起动涡
• 1.3.4 台阶后雷诺应力分布
• 1.3.5 剪切层中的大涡结构
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 格子 Boltzmann 方法简介
• 2.1 多重尺度导出宏观方程
• 2.2 DmQn 系列模型
• 2.3 格子 Boltzmann 热模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 格子 Boltzmann 方法的边界处理和数值稳定性
• 3.1 边界处理
• 3.1.1 周期格式
• 3.1.2 反弹格式
• 3.1.3 非平衡态分布函数反弹格式
• 3.1.4 外推格式
• 3.1.5 非平衡态外推格式
• 3.1.6 边界自适应格式
• 3.2 数值稳定性
• 3.2.1 有效迁移格子Boltzmann模型
• 3.2.2 累积误差的消除
• 3.3 本章小结
• 第四章 单个台阶情况的LBM模拟
• 4.1 模型的建立
• 4.2 格子 Boltzmann 算法的实现步骤
• 4.3 模拟结果及分析
• 4.3.1 Re数对流动及换热的影响
• 4.3.2 ER数对流动及换热的影响
• 4.3.3 Pr数对流动及换热的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 复合台阶情况的LBM模拟
• 5.1 下游多个台阶的分析
• 5.1.1 两个台阶的情况
• 5.1.2 三个台阶的情况
• 5.2 流过多层台阶的分析
• 5.2.1 双层台阶的情况
• 5.2.2 三层台阶的情况
• 5.3 有障碍物情况的分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 符号表
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢