液滴撞击液膜过程的格子Boltzmann方法模拟和实验研究

论文摘要

液滴撞击固体表面液体薄膜是自然界和工业生产中普遍存在的现象，撞击后会产生铺展、飞溅、反弹等复杂流动现象。对液滴撞击固体表面液膜流动过程的研究在很多自然科学领域和工业应用领域具有重要的意义，并具有广泛的实际应用价值。格子Boltzmann方法（LBM）是一种模拟流体流动的介观方法，该方法具有物理意义清晰，良好的并行性，边界条件易于处理等特点，由于格子Boltzmann方法是一种动理学模型，在处理两相流问题时，相对传统的计算流体力学方法具有一定的优势。近年来格子Boltzmann方法模拟气液两相流动的研究取得了很大的进展，并逐渐成为一种有效的模拟方法。本文对腔体内液滴撞击固体表面液膜的两相流动过程进行了数值模拟，并对相隔一定距离的两个液滴，间隔一定时间相继撞击液膜时的流动过程进行了实验研究。主要开展了以下几方面的工作：1）采用LBM两相流伪势模型模拟了腔体内液滴撞击固体表面液膜的流动过程。该模型采用由非理想气体状态方程出发构造的伪势函数来描述流体粒子之间的相互作用力，从而来模拟气液两相流动。通过模拟两相分离和液滴融合现象，验证了此方法模拟两相流动的有效性。在此基础上，对腔体内液滴撞击液膜的流动过程进行了数值模拟，并分析了温度等因素的影响。2）采用双分布函数LBM两相流模型模拟腔体内液滴撞击固体表面液膜的流动过程。该模型将流体粒子间的作用力分别表示成势能形式和应力形式，依据这两种表示形式，构造了两个分布函数g a和fα，分布函数g a结合应力形式的分子间的作用力表达式，用来模拟动量和压力场；分布函数fα结合势能形式分子间的作用力表达式用来模拟密度场。通过对液滴融合现象的模拟验证了模型的有效性。采用此模型对液气密度比不同时，腔体内液滴撞击液膜的流动过程进行了数值模拟，着重研究了液气密度比对液滴撞击液膜后流动过程的影响。3）采用高速摄影仪记录了相隔一定距离的两个液滴，间隔一定时间相继撞击固体表面液膜后产生水花之间相互影响的流动现象，分析了一些流动现象产生的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 研究历史及现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 格子 Boltzmann 方法理论和模型
• 2.1 LBM 基本模型
• 2.1.1 LBM 基本模型
• 2.1.2 LBM 基本模型的理论推导
• 2.2 LBM 基本模型对应的流体宏观控制方程
• 2.3 边界条件
• 2.4 计算流程
• 2.5 本章小结
• 第三章 液滴撞击液膜过程的 LBM 两相流伪势模型模拟
• 3.1 格子 Boltzmann 方法伪势模型
• 3.2 作用力项的处理方法
• 3.2.1 平衡态分布函数的压力校正法
• 3.2.2 平衡态分布函数的速度校正法
• 3.3 基于状态方程的伪势模型
• 3.3.1 基于状态方程的伪势模型
• 3.3.2 状态方程
• 3.4 数值方法验证
• 3.4.1 两相分离现象模拟
• 3.4.2 不同温度下两相的密度和表面张力系数的数值计算
• 3.4.3 两个液滴在表面张力作用下的融合过程
• 3.5 腔体内液滴撞击液膜流动过程的数值模拟
• 3.5.1 一定温度液滴撞击液膜的模拟和分析
• 3.5.2 不同温度液滴撞击液膜的模拟和分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 液滴撞击液膜过程的双分布函数 LBM 两相流模型模拟
• 4.1 双分布函数 LBM 气液两相流模型
• 4.1.1 非理想气体的 Boltzmann 方程
• 4.1.2 应力形式和势能形式的分子间作用力表达式
• 4.1.3 求解流体动量和压力的离散 Boltzmann 方程
• 4.1.4 求解流体密度的离散 Boltzmann 方程
• 4.1.5 双分布函数格子 Boltzmann 方程
• 4.2 数值方法验证
• 4.3 腔体内液滴撞击液膜流动过程的数值模拟
• 4.3.1 腔体内液滴撞击液膜流动过程
• 4.3.2 气液密度比对液滴撞击液膜过程的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 两个液滴撞击固体表面液膜实验
• 5.1 实验装置和测量方法
• 5.2 实验结果与分析
• 5.3 结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目
• 致谢