基于格子Boltzmann方法的多孔介質(zhì)REV尺度的流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱研究.pdf

1、多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)和傳熱是自然界中十分常見的一種現(xiàn)象，其應(yīng)用涉及化學(xué)工程，石油開采，農(nóng)田水利工程，生物組織內(nèi)液體的復(fù)雜流動(dòng)等等?？刂屏黧w流動(dòng)狀態(tài)和強(qiáng)化傳熱是流動(dòng)和傳熱領(lǐng)域內(nèi)非常關(guān)鍵的兩類問題。有研究表明，利用多孔介質(zhì)可以達(dá)到減阻及強(qiáng)化傳熱的目的，但是對(duì)如何有效利用多孔介質(zhì)及其物理機(jī)理并沒有系統(tǒng)的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值模擬法因成本低、試驗(yàn)周期短、參數(shù)選擇具有可控性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們的重視。目前多孔介質(zhì)流動(dòng)和傳熱問題的數(shù)

2、值模擬研究主要分為表征體元（REV)尺度和孔隙尺度兩類?？紫冻叨壬系难芯啃枰缽?fù)雜的介質(zhì)邊界，計(jì)算量巨大，難以應(yīng)用于實(shí)際，因此工程計(jì)算多采用REV尺度。鑒于此，本文的工作主要是基于REV尺度進(jìn)行的。
　　 作為一種新興的數(shù)值研究方法，格子Boltzmann方法(Lattice BoltzmannMethod，LBM)由于其具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已被證實(shí)非常適合于用來(lái)處理多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)和傳熱問題。但是，如同其他數(shù)值方法一樣，LBM

3、的理論也存在一些不足，現(xiàn)有的LB模型一般針對(duì)性都很強(qiáng)，比較適合于一些特定的物理問題。比如，針對(duì)工程中常見的多孔介質(zhì)圓管內(nèi)傳熱問題，并沒有完善的LB模型來(lái)進(jìn)行有效模擬。正是基于這一考慮，本文構(gòu)造了一類REV尺度軸對(duì)稱熱LB模型，在此基礎(chǔ)上，利用本文發(fā)展的模型對(duì)圓管內(nèi)強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了研究，并對(duì)如何利用多孔介質(zhì)對(duì)流動(dòng)進(jìn)行控制等前沿問題也進(jìn)行了初步的探索。本文的工作主要包括以下幾點(diǎn)：
　　 首先，在格子Boltzmann方法的相關(guān)理論方面

4、：
　　 (1)提出了一類適合于多孔介質(zhì)的弱可壓軸對(duì)稱熱LB模型，該模型形式簡(jiǎn)單，不含復(fù)雜外力梯度項(xiàng)，計(jì)算穩(wěn)定。解決了現(xiàn)有模型的局限性，完善了LBM在軸對(duì)稱領(lǐng)域的理論。
　　 (2)進(jìn)一步提出了一類適合于多孔介質(zhì)的不可壓軸對(duì)稱LB模型。該模型可以有效克服壓差較大所產(chǎn)生的問題，采用外力部分矯正的方法可以避免壓力和速度的耦合求解，使得計(jì)算更加簡(jiǎn)單。這些理論的完善和發(fā)展為推動(dòng)LBM在多孔介質(zhì)圓管內(nèi)傳熱的應(yīng)用奠定了必要的基礎(chǔ)。<

5、br>　　 其次，在非線性滲流的數(shù)值研究方面：
　　 (1)研究了覆蓋多孔介質(zhì)的方柱繞流問題，分析了多孔介質(zhì)厚度等重要參數(shù)對(duì)流場(chǎng)變化的影響，發(fā)現(xiàn)了這些參數(shù)中Darcy（Da)數(shù)的影響最為明顯，找到了阻力系數(shù)（Cd)和升力系數(shù)(Cl)存在最大值的Da數(shù)變化范圍，為利用多孔介質(zhì)降低繞流柱體表面阻力提供了一定的理論依據(jù)。
　　 (2)研究了充滿多孔介質(zhì)的變粘性Rayleigh-Benard對(duì)流問題，分析了Prandtl(Pr

6、)數(shù)、粘性隨溫度變化時(shí)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出的不同變化規(guī)律。數(shù)值結(jié)果表明粘性隨溫度變化對(duì)傳熱所產(chǎn)生的影響不容忽略；進(jìn)一步提出了一個(gè)等價(jià)的Rayleigh（Ra）數(shù)關(guān)系式，可以將考慮粘性變化和不考慮粘性變化兩種情況得到的結(jié)果統(tǒng)一起來(lái)，避免重新計(jì)算。這些結(jié)果對(duì)實(shí)際中的工程問題具有理論指導(dǎo)意義。
　　 (3)為了研究圓管內(nèi)插入多孔介質(zhì)對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響，前面發(fā)展的軸對(duì)稱熱LB模型剛好為模擬這類問題提供了很好的計(jì)算方法。由于在模擬這類問題時(shí)一

7、般計(jì)算量都很大，單個(gè)CPU計(jì)算效率很低，本文采用了具有超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力并支持復(fù)雜計(jì)算的先進(jìn)計(jì)算設(shè)備GPU（圖形處理器）。研究結(jié)果表明：圓管內(nèi)插入多孔介質(zhì)在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)也增加了流動(dòng)阻力。在工程實(shí)際中，需要平衡這兩者之間的關(guān)系，以到達(dá)最優(yōu)的換熱效果。
　　 總之，本文利用格子Boltzmann方法研究了REV尺度多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)和傳熱問題，為推動(dòng)該方法在滲流領(lǐng)域中的應(yīng)用作出了許多有益的嘗試。針對(duì)多孔介質(zhì)圓管內(nèi)的軸對(duì)稱流動(dòng)分別提出了