方腔内气固两相流动的格子Boltzmann模拟

论文摘要

气固两相流是煤燃烧领域的一个基本问题。格子Boltzmann方法（Lattice Boltzmann method, LBM）是近年发展迅速的一种计算流体力学新方法,在气固两相流模拟方面具有许多优势。LBM方法可以直观地描述颗粒的形状和运动,因此能有效的描述颗粒的碰撞、合并、破碎等现象;而且在LBM方法中能很好的处理流体与颗粒之间的相互作用,为从微观角度实现颗粒动力学与流动过程的耦合带来了可能。但是,现有处理气固两相流动的LBM中仍有一些关键问题需要研究。本文针对LBM在处理流动-颗粒相互耦合方面的一些不足展开研究,具体工作有:（1）将Masselot和Chopard提出的模拟气固两相流动的格子Boltzmann-格子气（LBM-LGA）方法进行了推广,能更好地反映两相间拖曳作用。（2）利用发展的LBM-LGA方法,研究了封闭方腔内的气固两相流运动特性,在单相耦合下分析了斯托克斯数St、模拟颗粒数目和尺度效应等因素对颗粒运动特性和流场的影响。对单颗粒和颗粒群的运动进行了模拟,发现本文模拟的结果在定性上和相关文献是一致的。通过模拟的结果和分析可知,颗粒群的均方位移达到瞬时极值的时间随着斯托克斯数的增大而增长,而颗粒数目和尺度效应对颗粒群的运动特性没有影响。（3）利用发展的LBM-LGA方法,在双向耦合条件下对微细颗粒物在气体中的流动进行了模拟,探求了各种因素对气固两相体系的影响。发现Knudsen数越大,斯托克斯数越大,颗粒的个数越多,则颗粒群的均方位移变化越大,并且气相流场的速度和动能的变化也越大。总之,本章将Masselot和Chopard等人提出的LBM-LGA方法进行了推广,用发展的LBM-LGA方法研究了颗粒在方腔流中的运动特性。在单向耦合和双向耦合情况下多种因素对颗粒群运动特性的影响,发现本章模拟的结果在定性上和相关文献是一致的。这为推动LBM-LGA方法在气固多相流领域的应用做出了可行性尝试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本文研究意义
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 2 气固两相流的格子Boltzmann 模型及模拟方法
• 2.1 基本格子Boltzmann 模型
• 2.2 初始条件和边界处理
• 2.3 模型外力项的处理
• 2.4 LBM-LGA 方法
• 3 单向耦合下方腔内微细颗粒物运动的模拟
• 3.1 引言
• 3.2 气固两相流的计算模型
• 3.3 模拟工况
• 3.4 模拟结果及分析
• 3.5 本章小结
• 4 双向耦合模拟方腔内的流固两相流
• 4.1 单颗粒运动的研究
• 4.2 双向耦合下颗粒群的运动特性
• 4.3 颗粒群对流场的影响
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表论文