多相和多组分流动中热质传递的Lattice Boltzmann方法的数值研究

论文摘要

Lattice Boltzmann Method（LBM）方法作为一种特殊的数值方法,以其自然并行、几何边界易处理、程序简单等诸多优点在输运问题,尤其在多相流、多孔介质、对流扩散和化学反应等问题模拟上体现了较大的优势及很强的适应性,展示了其广阔的应用前景。基于以上背景和推进该数值方法与工程应用接轨的思路,本文分别以超重力旋转填充床中液相膜流态下的微观混合,以及核池沸腾中气泡的增长、运动和变形等物理问题为研究背景,针对其中复杂多变的界面行为,包括可溶的多组分界面和不互溶的多相流界面,依托LBM方法的优势和特点,对界面的变化以及界面传质和传热等物理过程进行数值研究。根据实际问题的需要,先后提出、改进和联合了不同的LBM模型。利用这些模型数值研究相关问题,所获结果不仅为LBM在多相多组分流领域的实用化奠定了一些基础,也为相关领域实验和理论研究提供了有意义的参考。为检验LBM多组分流模型在复杂流动中的适应性和对应复杂边界处理的便捷性,依托超重力旋转填充床的工业背景,对床内液相膜流动状态下建立的液相组分间层状扩散反应模型进行合理扩展,将对流传质引入模型建立对流扩散传质模型。以此模型为基础对填料丝的强化对流传质作用进行了数值研究。通过引进反映宏观混合效率的函数,量化分析了填料丝形状和尺寸在其强制对流传质中的作用。结果对旋转填充床的填料设计及其传质的数值研究工作有参考价值,对其它填料的设计亦有启示作用。由于LBM多组分模型在研究组分传质时缺乏对流动混合效率的记忆性,本文构造了串行竞争反应的LBM模型。应用该模型分别对填料主体区和端效应区的微观混合和化学反应进行了数值研究。在主体区,采用层状扩散模型进行了模拟,与对应实验结论和其它数值结果比对分析,证明了算法的有效性。在端效应区,基于强制对流扩散反应模型对端效应区的强制对流传质和化学反应进行了积极的探索。初步探索了填料丝的强制对流传质作用,证明了LBM模型对该问题的适应性。同时模拟结果对研究分散后液体微元的传质有参考意义,为研究分散传质奠定了基础。为进一步研究填料丝形状和几何尺寸对其强制对流作用的影响提供了有利的数值工具,另外该模型可以在相似的传质和化学反应系统中推广应用。为研究LBM的传热模型,本文将改进的LBM方程引入LBM热模型,在对应的宏观传热方程中消除了一阶非线性误差项,以此为思路提出了两个二阶精度热模型。通过Rayleigh-Benard对流数值试算,初步探索了这两个二阶精度和对应一阶精度热模型的传热特征和适应性,并做了对比分析。在Ra数极高或热传导系数极大时,采用这三个热模型计算的Nu数与经验值均有较大偏差。分析LBM对应宏观热传导方程的截断误差后,本文在平衡分布函数中引进一个调节因子。通过调节对应宏观传热方程的截断误差项系数,很好的校正了Nu数的计算偏差,提高了热模型模拟精度,拓展了模拟范围,增强了LBM作为一个数值方法在解决传热问题中的适应性。联合上述热模型,对大密度比多相流LBM模型进行改造,构造了一个能描述传热主导相变的大密度多相流LBM复合模型。在复合模型中,基于Stefan边界假设以传热主导相变,相变作为一个源项被添加在C-H方程中以相序参数的变化来描述两相相变,同时在LBM热模型中考虑对应的相变潜热。这种相变处理方式可以自动追踪相变引起的界面变化,比其它处理方法简洁且物理背景清晰。应用该复合模型数值研究了过热液体中单气泡增长、运动和变形机理与气液两相物理参数（如动力粘性系数、表面张力和Jacob数等）的相互关系。通过联合和调整Briant的部分浸润性边界处理,本文应用多相流复合LBM模型对水平过热壁面上气泡的增长和跃离进行了数值研究。其中关于气泡跃离直径的研究呈现了正确的参数关联,证明了复合模型对该问题的适应性。以此为基础,进一步研究了气泡的合并对增长和跃离的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的工程背景及研究意义
• 1.1.1 旋转填充床内多组分液相间的微观混合和化学反应
• 1.1.2 蒸气泡的应用背景及研究现状
• 1.2 依托LBM方法数值研究的理论依据和意义
• 1.3 LBM方法的历史和特点
• 1.4 LBM方法的应用和发展
• 1.5 本文的主要工作
• 2 LBM方法的原理和基本模型
• 2.1 格子气自动机
• 2.1.1 格子气自动机FHP模型
• 2.1.2 FHP模型的微观动力学
• 2.1.3 FHP模型的平衡分布函数
• 2.1.4 格子气自动机到LBM方法
• 2.2 LBM方法
• 2.2.1 LBM模型和对应的宏观方程
• 2.2.2 LBM模型的边界处理
• 2.2.3 LBM方法与实际场的相似关系
• 3 多组分LBM模型的应用和串行竞争反应LBM模型的构造
• 3.1 填料丝在液相组分间强制对流传质的LBM模拟
• 3.1.1 多组分流体的LBM模型
• 3.1.2 算例分析
• 3.2 串行竞争反应LBM模型的构造
• 3.2.1 构造串行竞争反应的LBM模型
• 3.2.2 数值模拟
• 3.3 小结
• 4 二阶精度格式LBM热模型的构造
• 4.1 LBM热模型的精度格式
• 4.1.1 一阶精度LBM热模型O
• 4.1.2 二阶精度LBM热模型A的构造
• 4.1.3 阶精度LBM热模型B的构造
• 4.2 LBM热模型在单相流中的应用分析
• 4.2.1 临界Rα数的计算
• 4.2.2 Nu数的计算
• 4.2.3 对比计算结果讨论
• 4.2.4 调节因子Γ的引进对LBM热模型的校正分析
• 4.3 小结
• 5 复合LBM多相流模型的构造及应用
• 5.1 Zheng的大密度比两相流LBM模型
• 5.2 Inamuro的LBM热模型
• 5.3 基于Stefan边界假设的相变处理
• 5.4 对蒸气泡基于复合LBM模型的数值研究
• 5.4.1 恒温系统中复合模型的初试
• 5.4.2 非恒温系统中复合模型的进一步测试和应用
• 5.4.3 数值研究蒸气泡的增长对其运动和变形的影响
• 5.5 小结
• 6 水平过热壁面上蒸气泡增长跃离的LBM数值研究
• 6.1 固体壁面部分浸润性边界条件的Briant处理
• 6.2 单气泡增长和跃离的数值研究
• 6.2.1 单气泡的跃离直径与相关物理参数的关联
• 6.2.2 单气泡在部分浸润性过热壁面上的增长、铺展和跃离
• 6.2.3 单气泡周围流场和温度场的演化
• 6.3 气泡增长和跃离的数值研究
• 6.4 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 7.3 论文创新点
• 参考文献
• 附录A LBM模型程序实现简介
• A.1 LBM多组分模型的程序实现
• A.2 LBM热模型的程序实现
• A.3 LBM复合多相流程序实现
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介