颗粒在多组分不相混流体中运动的LBM模拟

来源 :北京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen406507025
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本文实现了基于格子玻尔兹曼方法(LBM)模拟固体颗粒在多组分流体内运动的数值方法。这种方法的关键点是将格子玻尔兹曼的多组分流体模型和格子玻尔兹曼颗粒悬浮模型结合起来,并考虑多组分模型、润湿模型和颗粒模型对颗粒运动的影响以及颗粒间的相互作用。颗粒的运动带来了动边界问题,这在LBM中会带来质量不守恒问题,在多组分流体中,这一问题更加显著。对两种颗粒悬浮模型,即固体颗粒内部包含流体的颗粒悬浮模型和固体颗粒内部不包含流体的颗粒悬浮模型,我们细致分析了颗粒外部流体组分质量不守恒的现象,验证了使用固体内部包含流体的颗粒悬浮模型在穿越多组分流体液面时产生的颗粒外部流体组分的明显质量不守恒问题,并最终采用颗粒内部不包含流体点的颗粒悬浮模型。在使用现有润湿模型模拟颗粒在湿相或非湿相流体中运动时,我们发现润湿作用力以及格子玻尔兹曼方法的压缩性效应对颗粒运动轨迹有显著影响,我们改进了已有的润湿模型,使得新模型对颗粒运动的非物理影响相对减少,提高了模拟精度。针对不包含内部流体点的颗粒悬浮模型,当颗粒运动到新的位置时,一部分格子点从固体区域转变为流体区域,其上的流体信息无法解析给出,需要使用周围流体信息插值得到。对于固体颗粒在单相流体内运动的模拟,通常都是通过零阶插值获得新格点上的值。对于固体颗粒在多组分流体内运动的模拟,我们发现,由于润湿性的影响,各组分流体的密度在固壁附近有较大的梯度,使用传统的零阶外插平均得到新流体格子点信息的方法将使得流体质量明显不守恒;通过分析,我们使用更精确的一阶外插格式生成新流体格子点信息,从而使得流体质量达到基本守恒。本文给出的模拟方法做了多方面的改进,为了验证程序的可靠性,我们首先使用多组分流体程序验证了表面张力的拉普拉斯定律,得到了压差和液面曲率的正比关系;其次,我们还模拟了单个颗粒在单相流体内沉降,并将得到的结果与有限元方法以及采用高阶曲面边条件的格子玻尔兹曼方法的结果比较,证明了我们单相颗粒程序的可靠性;在保证相同润湿角的情况下,我们详细对比了各种润湿模型对颗粒运动的影响,通过比较颗粒运动轨迹以及流体质量变化来验证我们的润湿模型的优势。最后,使用我们的方法模拟了可变形多孔介质内多组分流体驱替流动。
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