《複雜多孔介質中固液相變的格子Boltzmann方法及模擬》是依託上海交通大學，由吳慧英擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：複雜多孔介質中固液相變的格子Boltzmann方法及模擬
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：吳慧英
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目旨在構建一套完整高效的用於固液相變模擬的格子Boltzmann模型和方法，實現複雜多孔介質中固液相變的精確模擬和快速預測。內容包括：構建對流擴散方程的多鬆弛時間格子Boltzmann模型，通過Chapman-Enskog分析可精確恢復對流擴散方程而不帶偏差項；進一步研究潛熱源項的高效處理方法，避免焓值疊代，以構建溫度場模擬的LBM模型。在無熱流動LBM模型基礎上，探索具有糊狀區域和移動界面特徵的固液相界面處無滑移邊界條件的實現方法，並結合溫度場LBM模型，構建完整的固液相變模擬的格子Boltzmann模型。探索溫度場、速度場同時採用局部格線加密時粗細格線間的數據耦合方法，實現固液相變模擬的自適應格線算法，以提高精度、減小計算量。基於上述構建的模型和方法，開展複雜多孔介質中固液相變的LBM模擬，探索孔隙結構、多孔載體、相變芯材的影響規律，為高性能多孔複合相變材料的研製開發提供理論依據。
結題摘要
固液相變具有廣泛而重要的工程套用背景，傳統CFD方法在處理複雜多孔介質固液相變問題時存在困難，而格子Boltzmann(LB)方法的介觀物理背景使其處理該問題具獨特優勢。本項目採用理論分析與數值模擬相結合的方法，開展了固液相變LB模型和方法的研究，取得以下主要成果：(1)鑒於固液相變溫度場控制方程的基本框架為對流擴散方程，對現有對流擴散方程LB模型進行研究，發現其偏差項產生的根本原因為恢復對流項對恢復擴散項的干擾；在此基礎上，通過改進鬆弛矩陣並確定相應的平衡態矩函式，構建了全新的對流擴散方程多鬆弛時間LB模型，消除了現有模型中存在的偏差項。(2)提出將固液相變非線性潛熱源項吸收到時變項中，進一步引入總焓分布函式並確定相應的平衡態分布函式，構建了全新的固液相變LB模型(即總焓LB模型)，成功避免了焓值疊代計算和線性方程組求解，顯著提高了計算效率。(3)提出了可精確實現糊狀相界面處及固相內部速度無滑移條件的體積LB格式，避免了非物理虛假流動；通過引入參考比熱容並改進平衡態分布函式，巧妙處理了相界面處變物性非穩態耦合傳熱；揭示了相界面處數值擴散形成機制並提出了消除手段。(4)從保證Chapman-Enskog展開方程格線無關性的介觀新角度，直接在矩空間導出了粗細格線間完整的信息耦合方程；通過引入指示函式，設計了逐次加密多塊格線的自適應生成策略，率先實現了固液相變的自適應格線加密LB模擬，兼顧了模擬精度和效率。(5)運用本項目構建的固液相變LB模型和方法，結合GPU高性能計算，開展了複雜多孔介質中固液相變的孔隙尺度模擬，揭示了多孔介質結構、導熱係數、孔隙率和孔密度等對其相變傳熱特性的影響規律，為新型高效複合相變材料的設計開發提供理論和科學指導。項目迄今發表論文45篇，其中SCI論文20篇，EI論文23篇；培養畢業博士生2人、碩士生5人；項目負責人入選Elsevier中國高被引學者。
