《基於格子Boltzmann方法的水流摻氣數值方法研究》是依託四川大學，由彭勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於格子Boltzmann方法的水流摻氣數值方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：彭勇
- 依託單位：四川大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對摻氣水流的物理模型氣泡尺寸的精細測量難題和現有數值模擬方法尚難實現摻氣水流氣泡尺寸及其分布的準確模擬問題，本項目基於格子Boltzmann方法兼具微觀本質和介觀特點，算法簡單，適合複雜邊界條件，易於並行計算的突出功能，開發一套能夠模擬高流速水流摻氣過程的數學模型。該模型可以實現精確模擬氣體從水氣界面摻入形成氣泡及其在流動水體中隨流輸運、紊動擴散、上浮、分裂、合併、溢出水氣界面的動態全過程。模型經實驗驗證後，用來對比研究運動水體自由表面摻氣和過流邊界突變的強迫摻氣過程中氣泡大小及分布與氣泡上浮速度、紊動特性的關係，實現摻氣濃度場和流速場的精細耦合模擬。研究成果不僅為更深入探討摻氣減蝕機理提供一種新的研究手段，而且可為工程設計與最佳化提供科學依據，因此，具有重要的研究價值。
結題摘要
摻氣水流是水利水電工程中一種常見的水力學現象，也是水工水力學中重點研究的課題之一。本項目開發了一套基於介觀方法——格子Boltzmann氣液兩相流模型。這個模型具有算法簡單，適合複雜邊界條件，易於並行計算的突出功能。同時，這種模型可以實現自動追蹤相界面的運動，模擬計算的效率也大大提高。 兩相流體中外力格式對於流體的運動狀態有著重要的作用。本項目對三種典型作用力處理格式進行了對比，包括原始的Shan-Chen格式、準確差分格式(EDM格式)、Guo提出的考慮外力格子效應格式(Guo格式)。首先論證了採用Shan-Chen格式、EDM格式和Guo格式這三種外力處理方式的單鬆弛偽勢模型具備研究兩相流問題的可行性。其次，通過計算亞穩態兩相分離和區域中心靜止液滴這兩個算例，著重定量分析了外力的處理格式對單鬆弛偽勢模型鬆弛因子、兩相密度比和溫度的取值範圍的影響，為外力處理格式的選取提供了參考價值。對比三種外力處理格式發現， EDM格式在提高相同鬆弛因子下能實現的最大兩相密度比上具有較大的優勢。詳細對比了C-S和P-R狀態方程對計算結果的影響，確定了EDM格式和P-R狀態方程組合的格子Boltzmann模型較適用於研究大密度比氣液兩相流問題。採用多鬆弛LB模型較單鬆弛模型在低鬆弛時間時所能實現的兩相密度比更大。採用結合EDM格式和P-R狀態方程的多鬆弛模型對液滴的界面厚度的影響因素進行探究以及對兩靜止液滴聚合現象、液滴正向碰撞現象進行模擬，模擬結果與實驗吻合良好，證明了數值模型的準確性。同時詳細研究了We數、液滴半徑、液滴間距、界面厚度對碰撞過程的影響。
