基于非正交多松弛LBM的多孔介质流动与换热数值研究

发布时间：2020-06-15 07:19

【摘要】：近年来,多孔介质在环境、能源、化工等诸多领域中扮演着举足轻重的角色,如石油天然气的开采、氢气或二氧化碳的储藏、用作良好的吸附介质以及有效的传热强化介质、污水处理以及空气净化等。其内部流动与传热的研究无论是在理论还是实际应用中都有极其重要的意义。基于流体在多孔介质中渗流和传热的广泛应用背景,本文基于非正交矩阵下的多松弛格子Boltzmann模型,在REV尺度上对多孔介质内的流动与传热进行了介观数值研究,以期通过本文的研究使人们加深对多孔介质内流动与传热问题的认识以及在工程应用中提供一定的理论基础。本文的主要工作和结论如下:(1)建立了多孔介质单松弛双分布热格子Boltzmann模型,采用D2Q5模型离散温度场,D2Q9模型离散流场,通过热浮升力项将流动和传热耦合起来。建立了适合于多孔介质流动的非正交矩阵下的多松弛格子Boltzmann模型,通过采用非正交转换矩阵,建立了与之对应的D2Q9速度场和D2Q5温度场,并基于Chapman-Enskog多尺度技术恢复了多松弛格子Boltzmann温度方程。(2)与常规多松弛格子Boltzmann模型相比,本文采用非正交转换矩阵中含有更多的零元素,也不用正交化,因而具有更高的计算效率,用构造的模型对几种典型的流动换热问题进行模拟,包括热平板间的泊肃叶流动、平板间的混合对流、方腔内自然对流三个经典算例。通过温度等值线图和流线图以及定量数据的对比,验证了本模型的可行性和精确性,并且数值模拟结果表明:相对与现有的多松弛格子Boltzmann模型,本模型具有更好的数值稳定性和更高的效率。(3)构造了多孔介质纳米流体流动换热的非正交矩阵下的多松弛格子Boltzmann模型,并用纯水对该模型进行数值验证,进一步模拟了二维方腔内纳米流体多孔介质的速度、温度以及压力分布情况,考察了多孔介质内不同体积分数(φ=0%、φ=3%和φ=5%)的Al_2O_3-水纳米流体在不同Ra数(10~3~10~9)、Da数(10~(-2)~10~(-6))、不同纳米流体粒径(10nm、20nm、30nm)、不同孔隙率(0.4~0.9)以及不同宽高比(0.25~1)等多个因素对自然对流的影响,给出了不同参数变化时沿着热壁面Nu数以及壁面平均Nu数的分布情况。表明在一定范围内随着纳米流体体积分数的增大换热增强,但是在体积分数较大时降低了流体速度,换热能力变弱,发现在体积分数为3%时换热达到一个最佳值,随着Ra数、Da数、孔隙率ε的增大,高温壁面平均Nu数增大,换热增强,在相同条件下,Ra数相对于Da数对于左壁面平均Nu数影响较大,随着纳米流体粒径的减小,壁面平均Nu数增大。在矩形腔内,速度随着宽高比A的增大而增大,等温线随着宽高比的增大弯曲地更加明显,当宽高比为0.25时,低Ra数下3%的纳米流体换热的强化程度大于高Ra数强化程度。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124
【图文】：

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T ζ1τ12= =，eα 是流体的有效扩散系数，并且( )Ttteτδ δα + =21-104松弛温度宏观方程的恢复过程。ltzmann 方法的边界处理过程中，边界条件对于整个模拟的结果至关重要，在对于其他方法，在 LBM 中边界处理更为简单，在这处理方法。弹格式体边界常用标准反弹边界进行处理。在这种格式里发生急速逆转，因此对边界上的粒子直接作弹回处理

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Boltzmann 方法的基本理论和基本模精度达不到要求。在随后的研、半步长反弹格式[72]被学者陆续操作方便，不会增加其他任何额理。反弹格式是LBM 的一个很明动（多孔介质、变形边界）实施理量的定义去求解边界上未知的知的分布函数这样的边界处理格移格式和质量修正格式、Noble 衡态反弹格式是 Zou 与 He[74]在

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