基于氣泡生長及多相流動的格子Boltzmann模型及應(yīng)用研究.pdf

1、研究氣泡成核、長大及脫離的整個生長過程(氣泡動力學)，以及伴隨該過程的對流和微尺度傳輸現(xiàn)象，在核能、航天、材料等技術(shù)領(lǐng)域以及能源、動力、石油、化工、冶金等工業(yè)中具有重要的研究意義。氣泡動力學的研究涉及熱力學、傳熱學、流體力學等眾多學科，是一項多學科交叉的基礎(chǔ)性研究，具有重要的科學價值和工程應(yīng)用價值。它主要包括氣泡在液體中長大和運動規(guī)律以及氣泡在加熱壁面上成核、長大及脫離規(guī)律和條件等一系列復(fù)雜的科學問題。目前，人們對于這些科學問題的認識和

2、研究還遠遠不夠。無論是采用理論分析、傳統(tǒng)的場模擬方法、還是實驗方法開展研究，都具有相當?shù)碾y度。因而需要開拓新的研究思路。
　　 考慮到作為介觀尺度方法之一的格子Boltzmann方法在處理微觀相互作用明顯系統(tǒng)時所具有的獨特優(yōu)點，本文進行了基于格子Boltzmann方法的氣液相變及多相流動問題的數(shù)值模擬研究，對氣泡生長過程及多相流動中蘊含的科學問題進行深入探討。本文研究內(nèi)容主要包含兩個方面：1、多相格子Boltzmann方法基礎(chǔ)理

3、論的擴展；2、格子Boltzmann方法在氣泡生長及多相流動方面的數(shù)值模擬研究。
　　 基礎(chǔ)理論方面：
　　 ①基于Shan等提出的多組分多相偽勢格子Boltzmann模型，通過修改偽勢模型中的平衡態(tài)分布函數(shù)，使其滿足D2Q9格子，選取新的格林函數(shù)形式，并考慮外力及流體與壁面間的作用力，從而構(gòu)造了一種新的高效的多相格子Boltzmann模型。并在該模型的基礎(chǔ)上耦合相變方程，從而構(gòu)建了一種能夠描述氣液等溫相變的多組分多相格

4、子Boltzmann模型。
　　 ②基于Shan等及Zhang等提出的單組分多相格子Boltzmann模型，提出直接利用狀態(tài)方程求取體積力，使其避開有效密度及其梯度，并對速度進行修正，從而建立了一種新的單組分多相格子Boltzmann模型(改進模型1)。
　　 ③基于Zhang等的思想，利用其定義的粒子間相互作用勢來刻畫相變過程，并引進由Kupershtokh等提出的精確差分方法來計算體積力，且對速度進行了修正，從而建立

5、了精確差分格子Boltzmann模型(改進模型2)。
　　 ④在改進模型2的基礎(chǔ)上，耦合由Inamuro等提出的傳熱模型，從而構(gòu)建了一種新的描述氣液非均相相變的單組分多相格子Boltzmann模型。利用多尺度展開技術(shù)對構(gòu)建的模型進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)回歸得到的能量方程與通過熵平衡方程推導得到的方程一致。
　　 數(shù)值模擬方面：
　　 ①通過對兩相不同粘性比的液滴內(nèi)外壓差、兩相層流、兩相滲透率進行模擬，驗證了改進的多組分

6、多相格子Boltzmann模型的正確性。進而利用其考察流體與壁面間的作用強度系數(shù)對液滴在壁面上的潤濕性的影響；之后考察了接觸角以及Bond數(shù)對液滴在壁面上的滑動、斷裂及脫離現(xiàn)象的影響。
　　 ②利用多組分多相格子Boltzmann相變模型對液化和蒸發(fā)過程的模擬，發(fā)現(xiàn)在氣相體積分數(shù)、液相和氣相密度隨演化時間的變化關(guān)系方面，計算結(jié)果較文獻結(jié)果更加接近理論解；此外，還考察液相和氣相質(zhì)量隨演化時間的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)均與理論解吻合良好，且可

7、通過調(diào)節(jié)過熱度Δq的大小，獲取不同的相變速率。最后，利用其考察了不同重力加速度對池沸騰及豎直管內(nèi)流動沸騰的影響、水平方向上的加速度對池沸騰以及水平管內(nèi)流動沸騰的影響。
　　 ③利用SC模型、Zhang模型和改進模型1分別對vdW流體的相變過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)改進模型1相對于另外兩個模型取得一定的改進。進而將改進模型1應(yīng)用到不同狀態(tài)方程控制下的實際物質(zhì)(氨以及水)相變過程，發(fā)現(xiàn)在P-R狀態(tài)方程控制下模擬結(jié)果與實驗值吻合良好；并在改進

8、模型1的基礎(chǔ)上耦合自由能泛函，利用其考察介觀粒子相互作用勢，以及與此作用勢相關(guān)的平衡態(tài)熱力學及非平衡態(tài)熱力學特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)均遵循不可逆熱力學理論。
　　 ④利用改進模型2對水以及氨在不同狀態(tài)方程控制下的相變過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)其在溫度調(diào)節(jié)范圍和最大密度比方面較改進模型1具有較大的改進。進而利用其分別探討了界面密度梯度；不同溫度下氣泡(液滴)的內(nèi)外壓力差，從而獲得水以及氨在不同溫度下的表面張力，這均與實驗值吻合良好；水在特定

9、溫度下的亞穩(wěn)態(tài)平衡及不穩(wěn)定平衡態(tài)；等溫相變過程中的氣泡和液滴的形成條件、兩個靜止水滴的合并條件及合并時液橋?qū)挾扰c演化時間之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該關(guān)系式與通過實驗驗證的理論關(guān)系式吻合良好。
　　 ⑤由于改進模型2所具有的優(yōu)勢，故利用其探討流體與壁面間的作用強度系數(shù)與氣泡靜態(tài)接觸角之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者呈線性關(guān)系，這與前人研究結(jié)果一致。之后利用非均相相變模型探討倍網(wǎng)格數(shù)對氣泡生長過程的影響，發(fā)現(xiàn)當水平方向上的網(wǎng)格數(shù)大于2倍的氣泡脫離直徑時，