微尺度流動的格子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，計算不同溝槽的減阻能力。借鑒MEMS中微尺度流動的處理方式，本文采用格子Boltzmann方法對矩形和V形溝槽的減阻能力進(jìn)行了計算。
　　本文介紹了使用格子Boltzmann方法模擬微尺度流動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、和時間離散并得到了格子Boltzmann方程。分析了微尺度流動中常用的幾種處理滑移邊界條件的方法和微尺度流動中弛豫時間關(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、的微通道流動模型，與Karniadakis提出的解析解對比驗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，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，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