微尺度流動(dòng)的格子Boltzmann方法及其模擬研究.pdf

1、如何減小阻力節(jié)約能源消耗是大型平流層飛艇保證長航時(shí)飛行的核心問題之一，在飛艇蒙皮表面鋪上微尺度溝槽有可能減少阻力節(jié)約能源?？紤]到平流層空氣的稀薄性，問題的核心是建立能夠考慮稀薄效應(yīng)的微溝槽減阻模型，計(jì)算不同溝槽的減阻能力。借鑒MEMS中微尺度流動(dòng)的處理方式，本文采用格子Boltzmann方法對矩形和V形溝槽的減阻能力進(jìn)行了計(jì)算。
　　本文介紹了使用格子Boltzmann方法模擬微尺度流動(dòng)最為重要的速度分布函數(shù)的概念。推導(dǎo)了Bolt

2、zmann方程，通過對Boltzmann方程的非線性積分項(xiàng)處理得到了Boltzmann-BGK方程，使用了D2Q9模型（一種離散方式）進(jìn)行速度、空間、和時(shí)間離散并得到了格子Boltzmann方程。分析了微尺度流動(dòng)中常用的幾種處理滑移邊界條件的方法和微尺度流動(dòng)中弛豫時(shí)間關(guān)系的處理方式。
　　本文以這些基本概念和公式為基礎(chǔ)，建立了能夠考慮滑移邊界和一定稀薄效應(yīng)的格子Boltzmann模型，使用C++語言編寫該模型的模塊化程序。通過典型

3、的微通道流動(dòng)模型，與Karniadakis提出的解析解對比驗(yàn)證了該模型與程序的正確性和實(shí)用性
　　隨后本文分別研究了連續(xù)和稀薄氣體條件下微溝槽壁面的流動(dòng)，研究了連續(xù)介質(zhì)區(qū)和滑移區(qū)內(nèi)溝槽內(nèi)流線形狀，分析了溝槽的減阻機(jī)理。最后，通過研究不同寬高比的V型溝槽和矩形溝槽壁面流動(dòng)，研究了溝槽幾何形狀對流線和減阻規(guī)律的影響，分析了溝槽減阻能力和溝槽形狀和幾何尺寸的關(guān)系。
　　研究表明，在連續(xù)介質(zhì)區(qū)溝槽的減阻能力可以達(dá)到6％。然而在同樣的