5  He-Chen-Zhang两相LBM模型简单研究 41

5。1  模型简介 41

5。2  表面张力 43

5。3  Rayleigh-Taylor不稳定性模拟 44

6  总结与展望 46

6。1  总结 46

6。2  展望 46

结论 48

致谢 49

参考文献 50

1  绪论

1。1  研究背景

随着20世纪以来计算机技术的出现和快速发展，在科学研究领域，数值模拟已经逐渐成为与理论研究和实验探索相并立的三大科研手段之一。在流体力学和传热学领域逐渐出现了计算流体力学和数值传热学两大学科。From+优|尔-论_文W网wWw.YouErw.com 加QQ752018.766

上世纪80年代，一种基于格子气自动机模型(LGA)的格子Boltzmann方法（LBM）开始发展起来,经过众多学者的研究工作，格子Boltzmann方法迅速成为模拟复杂流动的一个有效工具，它是根据分子动理学和统计力学原理，以Boltzmann方程为出发点，通过建立离散的速度模型对粒子分布函数进行演化计算，然后再对其做统计计算得到相应的密度、速度和动能等宏观物理量。与传统的CFD方法相比，格子Boltzmann方法既不属于宏观层面，也不属于微观层面，其着眼点处于两者之间，所以也被称为介观方法。格子Boltzmann方法本身具有规则简单、容易编程，易于处理复杂边界、可进行并行高效率计算等优点，使得它越来越多的被应用于多相流、多孔介质流、磁流体、湍流等复杂流动或者复杂边界的流动模拟计算。随着格子Boltzmann方法的不断成熟，其应用领域也在不断地扩大，目前一些学者在生物力学、电流体、土力学、流固耦合等研究中也开始逐渐尝试利用格子Boltzmann方法做数值计算，并取得了较好的效果。

近几十年来，随着两相流现象在工业生产中的广泛出现，使得单组分或多组分汽液两相流的研究成为热门。汽液两相流是指由汽液两种流体组成的两相流体系统，在汽液两相流方面，气泡的生长、变形、运动及气泡动力学等问题是广受关注的研究课题。一般来讲，根据环境的变化不同，汽液两相流可以分为等温情况和非等温情况。对于等温情况，如何追踪并描述汽液两相的界面是一项具有广泛应用的课题，而对于非等温情况，沸腾问题一直都是一个热门研究方向。在泡核沸腾中，蒸汽泡的产生、生长、脱离和上升等过程是其基本物理过程[23]，在这些过程中，气泡与周围流体之间保持着质量和热量的传递，与此同时，传质传热也会对气泡动力学行为产生很大的影响，它们之间的相互作用被众多学者关注并研究，在蒸发器、材料加工等工程领域，气泡的动力学行为和沸腾换热也是关键性问题，这些问题虽然被研究了很长时间，但是由于沸腾的复杂性，仍有许多问题尚未解决。因此，研究泡核沸腾蒸汽泡的变化与运动过程以及沸腾传热的机理无论对学术还是对工程都仍有很重要的现实意义。

格子Boltzmann方法自出现以来，由于其无需求解复杂的偏微分方程，只需进行粒子分布函数的演化计算，所以在两相流问题的研究中得到了大量的应用，并且发展出了Shan-Chen模型、He-Chen-Zhang模型、自由能模型等两相流模型。许多学者利用格子Boltzmann方法对两相流问题进行了模拟研究。Takada和Misawa等人[1]使用自由能模型模拟单个气泡上升过程的力学行为,验证了格子Boltzmann方法研究气泡运动的适用性。Inamuro和Ogata等人[2]对大密度比的汽液两相流进行了模拟,发现气泡的形状与实验结果吻合较好。Gupta等[3]用伪势模型模拟了二维两气泡、三气泡融合的过程,并对气泡动力学的一些影响因素做了分析。Huang等人[4]应用自由能模型,模拟了三维单个气泡的上升过程,并与实验结果进行了比较。Hazi和Markus[5]在Shan-Chen模型和Inamuro的两相流模型基础上加入了一个关于温度的能量方程模拟了容积沸腾条件下过热平板上气泡的脱离的直径、频率与重力加速度、壁面润湿性的关系，数值模拟结果与实验结果符合的很好。Gong和Cheng[6]在Hazi和Marku的基础上推导出了新的温度方程的源项，并模拟了汽液相变热传递过程。然而，截至目前为止，关于LBM对两相流沸腾问题的研究主要集中在二维情况下单个气泡的情况，且大多是考虑了重力加速度或接触角的影响，汽液两相流沸腾问题的三维模拟、多气泡相互作用、以及过热度影响等较少有研究提到，因此，我们有必要使用格子Boltzmann方法对两相流泡核沸腾展开进一步的研究。论文网