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格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究
作者:吴勇勇
定价:89元
印次:1-2
ISBN:9787302616207
出版日期:2022.12.01
印刷日期:2024.03.21
《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》是作者在博士期间研究课题的总结,主要面向对格子玻尔兹曼算法(Lattice Boltzmann method,LBM)及汽/气液多相流计算感兴趣的研究人员,提供了目前作者对于LBM及相关多相流算法在数值稳定性方面的研究认识,并横向对比了目前LBM与其他直接数值模拟方法在模拟汽/气液多相流(如液滴对撞)上的数值稳定性。 为方便读者了解并复现书中的算法及案例,《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》详细介绍了所用的多松弛MRT算法框架以及使用的Shan-Chen(SC)伪势模型公式。书中展示了一种具备强数值稳定性的多相流算法框架。通过《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》的介绍,读者能够实现极高参数下的复杂汽/气液多相流过程模拟。
more >导师序言 气/汽液两相流是广泛存在于能源动力、化工生产、航空航天等众多军民工业体系中的重要物理过程,对两相流作用机理的认识与控制是提升工业生产效率和保障安全的前提。由于汽液两相流复杂的相界面演化机制,导致其随物理参数不同而呈现多变的流型分布,因此对两相流相关的理论、实验、数值算法等方面的基础研究至今仍是科学界的前沿领域。 汽液两相流界面解析的直接数值模拟算法是用于研究汽液相界面聚并、分离、破碎等基础演化过程及其宏观组合表现的重要手段。而当前计算方法受限于数值稳定性和准确性方面的制约,尚难以对高密度比、高雷诺数、高韦伯数、高速下的复杂汽液相界面演化过程进行准确预测和研究,导致对高参数下两相作用机理、流型发展、宏观效率影响的认识存在不足。因此建立一种能稳定准确解析相界面演化的汽液两相流直接数值模拟算法,实现两相流从低到高参数范围的稳定模拟并准确预测汽液相界面演化,对于提升我们对两相流认识及其工业应用有重要意义。 格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)是近年来迅速发展的一类流体计算方法,被广泛应用于多相流、多孔介质、化学表面沉积、燃料电池、微流体等前沿研究方向。但由于动力松弛过程限制导致的数值发散使得此方法长期受限于低参数下,因此增强算法在高参数下的数值稳定性也是目前格子玻尔兹曼方法研究中的重要前沿问题。 作者在书中围绕LBM汽液多相流计算数值稳定性方面独立开展了一系列有意义的研究工作,书中研究了目前LBM在多相流计算中产生数值不稳定的原因,提出了相应的稳定化方案,并完善了多相流模型的作用力格式及状态方程等。通过完整的数学推导,揭示了多松弛方法(multiplerelaxationtime,MRT)作用力格式的四阶项形式及各阶阶跃分布的特性,并依据数学公式提出两类抑制其高阶效应的方案,阻止了汽相密度异常偏离的非物理现象。 在前述研究基础上,作者进一步独立提出了一种解耦且稳定化的LBM算法框架,将松弛因子与黏性解耦并实现稳定化,消除了传统MRT中存在于二阶展开上的速度三次方余项,使得此算法具备准确二阶数值精度、伽利略不变性和各向同性等性质,设计的松弛因子稳定化方案也使得此方法具备了强数值稳定性质。本书以此算法实际模拟了液滴对撞、液滴溅射、液滴碰壁与成核沸腾等实际多相流问题,并得到从低到高参数下的问题解。液滴对撞结果与实验进行了详细对比验证,研究了极高参数下相界面的演化机理,同时也证明了此算法在高参数两相流计算方面优良的数值稳定性和有效性。 作者在此书工作中做了充分的文献调研,数学推理严谨,验证详细,主线和文字逻辑表述清晰,所给出的各项结论及成果为LBM算法数值稳定性研究领域提供了有价值的学术拓展,所提出的解耦且稳定化LBM框架在汽液多相流前沿研究中具有很好的计算应用价值。 屠基元 清华大学核能与新能源技术研究院 2022年4月12日
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