格子Boltzmann方法的固液滑移边界研究

发布时间：2020-05-11 16:00

【摘要】：流动中的边界滑移指的是壁面附近的流体与固壁间存在相对速度的现象。随着界面加工技术的进步,原本十分微弱的边界滑移现象得到了极大的强化。边界滑移引起的摩擦减阻效应因此受到了人们的广泛关注。实际上,该物理现象的数值模拟是一个富有挑战的新课题,特别是在格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)这一相对“年轻”的数值方法中。LBM是近三十年来快速发展出的一种基于粒子碰撞理论的数值方法。得益于其程序简单,天然并行性与处理复杂边界的优势,该方法在研究流体流动问题,特别是跨尺度耦合问题时得到了广泛的应用。但是,应用该方法研究边界滑移现象之前需要解决以下问题,第一,如何将微观边界滑移现象与宏观流动状态进行关联;第二,LBM中液体流动的滑移边界还不成熟。这些问题制约LBM对边界滑移材料减阻性能的预报。为此,本文将滑移长度这一物理量与LBM中的边界滑移格式相关联,构建准确的滑移边界格式,以探究边界滑移现象对于不可压流体宏观流动状态的影响。本文主要研究内容如下:1、通过材料的宏观性质预测其边界滑移长度。引入超疏水粘附力方程模型,提出了一种结合作用力方程的滑移边界处理方法。该方法将现有的LBM滑移格式与液固作用力相结合,通过数值拟合方法得出了滑移长度表达式。由材料表面的浸润参数,如接触角、前进角、后退角等,就可以预测该材料在宏观流动状态下的滑移长度。通过二维平板剪切流动仿真,本文探究了接触角、滑动角、以及速度剪切率对滑移长度大小的影响,并通过激光刻蚀加工制造技术制备出了相应的减阻材料。2、从理论上推导出一种适用范围更广、精确度更高的液体滑移边界条件以克服上述方法应用范围的局限性。结合现有的组合滑移边界格式以及线性滑移模型,一种新的协调因子表达式被推导出来。这种不依赖具体流动模型的协调因子表达式则具有更广泛的适用性。进一步地,本文通过平板剪切流、泊肃叶流动验证该格式的计算精度与准确性,并将其应用于水-铜纳米粒子混合流动与Womersley流动中,探究其在微纳流动与非定常流动中的适用性。3、结合上述液体边界滑移格式与Weierstrass-Mandelbrot(WM)分形方法,本文研究了粗糙壁面与滑移边界的耦合作用对管道流动的影响。文中针对LBM与WM耦合时的误差提出了一种修正方法,并分析了不同网格分辨率下数值壁面的分型维数准确性。本文进一步比较了粗糙结构形式与分形维数对管道流动的影响。以此为基础,本文研究了边界滑移现象在粗糙管道中的应用。4、结合上述液体滑移边界格式,本文对低雷诺数下带有滑移边界的钝体绕流流动进行研究,探究边界滑移在实际应用中的减阻效果。文中首先讨论了两侧为滑移边界的方柱绕流流动的阻力与流场变化情况。进一步地,四面均为滑移边界的斜方柱绕流模拟被用于探究边界滑移对宏观流场的影响。最后,文中重点研究和讨论了带有滑移边界的双方柱绕流中的干扰现象与减阻效果。通过上述研究,本文分析了流动分离与流场变化对边界滑移的减阻效果影响。5、为将边界滑移推广到复杂曲面中,本文提出了一种基于速度插值的曲面滑移边界方法。该方法根据线性滑移模型,将滑移长度转化为边界上的滑移速度,再通过速度边界对边界滑移现象进行模拟。该格式摆脱了组合滑移边界只能应用于平直边界的束缚,也克服了以往曲面滑移边界只能模拟微小滑移长度的限制,具有更为广泛的适用性。圆环剪切流、非规则管道流动被用于验证该方法的计算精度与准确性。以此为基础,本文研究了边界滑移现象对水翼升力、阻力以及升阻比的影响,分析了在水翼不同位置应用滑移边界时的升、阻力变化规律。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661

【参考文献】