基于格子Boltzmann方法的非常規(guī)顆粒兩相流的機(jī)理研究.pdf

1、包含不同粒徑顆粒和多孔顆粒的氣固兩相流是自然界和多種工程技術(shù)領(lǐng)域中常見(jiàn)的一類流動(dòng)，如大氣可吸入顆粒物控制等，都涉及這類復(fù)雜流動(dòng)過(guò)程。由于此類問(wèn)題的各相內(nèi)部以及各相之間存在復(fù)雜的相互作用，加之顆粒復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，因此它是一類復(fù)雜的流-固耦合系統(tǒng)，深入認(rèn)識(shí)其流動(dòng)規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理面臨重大挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)的數(shù)值方法(如有限差分，有限元和有限體積等)在處理此類復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題時(shí)所存在的多尺度耦合困難、計(jì)算量大、并行效率低及流固耦合復(fù)雜等缺點(diǎn)，近十幾年發(fā)展

2、起來(lái)的格子Boltzmann方法(LBM)，由于其微觀本質(zhì)和介觀特性已被證實(shí)適合用于具有非常規(guī)顆粒氣固兩相流的研究。
　　目前，雖然LBM在非常規(guī)顆粒氣固兩相流相關(guān)領(lǐng)域的研究取得了一些成果，但仍有一些基本問(wèn)題尚未解決，比如模擬顆粒懸浮流的格子Boltzmann模型的性能評(píng)估，用于處理多孔運(yùn)動(dòng)顆粒流動(dòng)問(wèn)題的模型以及多孔顆粒的沉降等。本文正是基于這樣的研究現(xiàn)狀，在多松弛格子Boltzmann的框架下完善和發(fā)展LBM的相關(guān)理論，并對(duì)不同

3、粒徑和多孔顆粒的流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的研究。論文的主要工作包括以下兩個(gè)方面：
　　首先，在LBM的相關(guān)理論模型方面：
　　(1)將描述軸對(duì)稱流動(dòng)的單松弛格子Boltzmann模型拓展到多松弛格子Boltzmann模型，該模型不僅保持了形式簡(jiǎn)單、外力項(xiàng)不含復(fù)雜梯度項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)，還提高了方法的數(shù)值穩(wěn)定性；
　　(2)對(duì)模擬顆粒懸浮流的三種常用格子Boltzmann模型的性能，包括精度，數(shù)值穩(wěn)定性、計(jì)算效率以及魯棒性進(jìn)行了比較，這一

4、研究有助于認(rèn)識(shí)這些模型的本質(zhì)，并選取合適的模型。此外，通過(guò)模擬封閉腔內(nèi)128個(gè)顆粒的沉降，驗(yàn)證了多松弛模型處理顆粒群復(fù)雜系統(tǒng)的能力；
　　(3)提出了一類可處理多孔運(yùn)動(dòng)顆粒流動(dòng)問(wèn)題的多松弛格子Boltzmann模型，該模型消除了已有模型存在流體速度很小的限制，完善了LBM在多孔顆粒沉降、懸浮問(wèn)題上的理論模型。
　　其次，在非常規(guī)顆粒氣固兩相流相關(guān)問(wèn)題的數(shù)值研究方面：
　　(1)基于本文提出的多松弛軸對(duì)稱格子Boltzm

5、ann模型，研究了沿流向串列放置的兩顆粒繞流問(wèn)題，著重分析了顆粒間距、顆粒粒徑比和雷諾數(shù)對(duì)兩顆粒的阻力系數(shù)和周圍流場(chǎng)的影響；
　　(2)采用多松弛模型研究了大小不同兩顆粒的拖曳-接觸-翻滾(Drafting, Kissing and Tumbling, DKT)過(guò)程，在兩種不同顆粒位置情形下，即大顆粒初始位于小顆粒上方，和小顆粒位于大顆粒上方，并結(jié)合同等大小顆粒沉降的結(jié)果，詳細(xì)分析了顆粒初始間距和顆粒粒徑比對(duì)DKT過(guò)程的影響，揭示

6、了DKT現(xiàn)象的幾種模態(tài)；
　　(3)采用本文提出的描述多孔運(yùn)動(dòng)顆粒流動(dòng)的格子模型研究了單個(gè)和兩個(gè)可穿透顆粒，包括多孔顆粒和由固體核與外部多孔層構(gòu)成的合成顆粒的沉降問(wèn)題。對(duì)單個(gè)多孔顆粒，詳細(xì)分析了孔隙率和雷諾數(shù)對(duì)其沉降速度和阻力系數(shù)的影響，對(duì)單個(gè)合成顆粒，還分析了多孔層厚度的影響。針對(duì)兩個(gè)多孔顆粒和合成顆粒，考察了孔隙率和多孔層厚度對(duì)兩顆粒的DKT現(xiàn)象的影響。分析結(jié)果表明，兩個(gè)多孔顆粒的相互作用強(qiáng)度隨孔隙率增大而減弱，兩合成顆粒的相