检索结果-内蒙古大学图书馆

力学学报 2024年第11期56卷 3133-3141页

作者：周国龙柴廉洁武伟何烨帆张家忠西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

结合改进后的多松弛伪势模型,使用格子Boltzmann方法对附壁空化泡溃灭演化过程进行了数值模拟及分析,着重研究了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律.首先,对改进后的多松弛伪势模型开展了热力学一致性验证,通过对比气液共存密度的数... 详细信息

结合改进后的多松弛伪势模型,使用格子Boltzmann方法对附壁空化泡溃灭演化过程进行了数值模拟及分析,着重研究了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律.首先,对改进后的多松弛伪势模型开展了热力学一致性验证,通过对比气液共存密度的数值解与解析解,选取了满足热力学一致性需求的参数,使得模型能够实现大密度比多相流动的数值计算;然后,对不同壁面润湿性条件下的附壁空化泡平衡接触角进行了数值模拟,分析了壁面润湿性与附壁空化泡平衡接触角的关系,分析表明:随着壁面与流体相互作用强度的增大,平衡接触角逐渐增大,壁面润湿能力逐渐减弱.进一步,对附壁空化泡的溃灭问题进行建模,处理了相应的边界格式,完成了附壁空化泡溃灭过程的数值计算,并分析了不同壁面润湿能力对附壁空化泡溃灭的影响规律;当初始空化泡内外压差及形态相同时,增强壁面疏水性缩短了空化泡溃灭的时间.特别是,壁面润湿性由亲水逐渐变为疏水时,最大溃灭压力先降低后又逐渐升高,而最大溃灭速度随着壁面疏水性的增强而持续升高.研究结果揭示了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律,为进一步抑制附壁空化泡溃灭的破坏效应及利用空化泡溃灭效应实现工程应用提供了理论指导.

关键词：空化泡溃灭伪势模型壁面润湿性接触角

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作用力求取方法对多相伪势模型的影响

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计算物理 2012年第6期29卷 828-836页

作者：胡安杰李隆键曾建邦重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室广州510640

基于伪势模型将有效密度和势函数结合计算粒子间相互作用力,提出一种改进描述气液相变的格子Boltzmann模型.对不同状态方程控制的单组份流体相变过程进行模拟发现,与单纯由有效密度或势函数计算粒子间相互作用力的方法相比,该模型的结果... 详细信息

基于伪势模型将有效密度和势函数结合计算粒子间相互作用力,提出一种改进描述气液相变的格子Boltzmann模型.对不同状态方程控制的单组份流体相变过程进行模拟发现,与单纯由有效密度或势函数计算粒子间相互作用力的方法相比,该模型的结果与Maxwell构建更吻合,且最大伪速度更小,扩大了温度的计算范围,提高了模型的稳定性.基于Laplace定律对界面现象模拟结果进行讨论,模拟结果与Laplace定律吻合.

关键词：格子Boltzmann方法粒子间相互作用力相变伪势模型

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流体机械空化热效应及热力学格子玻尔兹曼伪势模型研究

流体机械空化热效应及热力学格子玻尔兹曼伪势模型研究

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作者：冉彬君重庆交通大学

学位级别：硕士

空化泡是水力机械产生空蚀的主要原因之一,当空化产生的气泡在固体表面附近溃灭时会产生微射流、高压、冲击波、放热过程,从而引发液体速度场和压力分布场的变化,造成材料表面产生空蚀。由于气泡在运动过程中,通常气泡与壁面、气泡与液... 详细信息

空化泡是水力机械产生空蚀的主要原因之一,当空化产生的气泡在固体表面附近溃灭时会产生微射流、高压、冲击波、放热过程,从而引发液体速度场和压力分布场的变化,造成材料表面产生空蚀。由于气泡在运动过程中,通常气泡与壁面、气泡与液体、气泡与气泡间存在复杂的相互作用,而该作用十分复杂,难以在宏观尺度上进行研究。因此本文采用格子玻尔兹曼方法(LBM)的水热动力耦合模型,兼顾温度场和流场的相互影响,对近壁区单空化泡生长和溃灭过程展开了系统研究,着眼于无量纲气泡-壁面间距、初始输入温度、表面张力、润湿性和壁面温度对空化泡演化过程、溃灭强度和动态接触角的影响。此外,还系统研究了等大和非等大双空化泡的强弱相互作用机制,额外拓展了空化泡群的复杂相互作用机制。主要结果如下:(1)本文研究模型可以模拟附壁气泡和近壁区气泡的演变过程,得到无量纲的气泡-壁面间距和最大半径之间的函数关系。在无量纲气泡-壁面距离小于1.6时为幂函数关系,大于1.6时为线性关系。初始临界半径随着表面张力的增加而增加,韦伯数和最大半径之间也为幂函数关系。并且表面张力越小,则空化泡变形更大,产生更大微射流体积。(2)模拟结果表明,初始输入温度会影响气泡核内压力演变过程,导致气泡壁不同膨胀速度,但最终膨胀速度非常接近。初始激发温度越大,溃灭强度越大,第一次溃灭时释放的高温可能导致体积和半径的振荡。初始压力过大会导致产生的气泡核无法生长,最终气核发生湮灭。(3)成功模拟空化泡相互作用过程中完整的生长和溃灭过程,系统研究了等大和非等大双空化泡的强弱相互作用机制。提出了区分双等大空化泡间强弱相互作用机制的临界距离,对于非等大双空化泡的弱相互作用过程中,较小空化泡产生的压力波导致较大空化泡在最后溃灭阶段变形较小,并且导致产生的非平衡力作用在液膜上,使得比等大双空化泡更难破裂。(4)研究了不同壁面润湿性和温度条件下附壁空化泡生长和溃灭的热流特性,为了解壁面温度对动态接触角的影响,考虑了温度场和流场的相互影响。得出壁面润湿性对气泡形态有很大影响,在生长阶段非润湿性壁面能观察到更高的生长速度。但由于接触角的驻点效应,接触点处移动缓慢,导致非润湿性壁面上的溃灭强度减弱。

关键词：格子玻尔兹曼方法伪势模型空化泡流体机械壁面

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LBM伪势MRT三维模型GPU并行计算的性能优化

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计算物理 2018年第5期35卷 554-562页

作者：彭浩单鸣雷朱昌平姚澄河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室并江苏省输配电装备技术重点实验室常州213022 江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心南京211100

格子Boltzmann方法伪势模型算法中的格点间计算未完全局部化,因此在并行计算时需要更多次的全局内存读写、使用更多数量的寄存器和线程同步操作,从而导致GPU并行计算效率下降.本文针对伪势模型并行计算的局限性,基于三维十五速格子结构... 详细信息

格子Boltzmann方法伪势模型算法中的格点间计算未完全局部化,因此在并行计算时需要更多次的全局内存读写、使用更多数量的寄存器和线程同步操作,从而导致GPU并行计算效率下降.本文针对伪势模型并行计算的局限性,基于三维十五速格子结构的多松弛时间伪势模型,以气液相分离为算例,通过合并访问的方式提高全局内存的读写效率;并提出一种＂定向转移＂算法,提高格子边界格点获取邻居格点数据的效率;最后探索不同资源分配中各种因素对计算效率的影响,总结最优资源分配的方法.

关键词： LBM 伪势模型 GPU 并行计算性能优化

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基于晶格Boltzmann方法的伪势多相流模型及其GPU并行加速研究

基于晶格Boltzmann方法的伪势多相流模型及其GPU并行加速研究

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作者：朱剑飞广西师范大学

学位级别：硕士

多相流是一种在自然界和工程领域中广泛存在的流体现象,研究多相流对于理解自然界中复杂现象和提高工程领域的生产效率具有重要意义。晶格Boltzmann方法以其物理概念清晰、易于处理复杂边界和天然并行性等优点,已成为主流的多相流数值... 详细信息

多相流是一种在自然界和工程领域中广泛存在的流体现象,研究多相流对于理解自然界中复杂现象和提高工程领域的生产效率具有重要意义。晶格Boltzmann方法以其物理概念清晰、易于处理复杂边界和天然并行性等优点,已成为主流的多相流数值模拟方法。其中,伪势模型由于具有概念简单、计算效率高以及易于实现等特点,已经成为模拟多相流的重要模型之一。然而,原始伪势模型存在一些不足,如两相密度比较低、表面张力无法独立调节以及虚速度较大等,这些不足限制了该模型在实际工程中的应用。针对这些不足,本文提出了一种改进的伪势晶格Boltzmann多相流模型,实现了超大的密度比和可独立调节的表面张力。另外,使用晶格Boltzmann模型求解问题时,需要将流场离散成大量的网格,会造成巨大的计算量,本文通过引入GPU并行计算技术,设计并实现了两种并行算法,以加速模型的模拟过程。主要工作如下:(1)构建了一种具有超大密度比以及可独立调节表面张力的多弛豫伪势晶格Boltzmann多相流模型。通过引入矩空间与网格空间解耦的方法加宽了气液过渡界面,并使用高阶精度差分法来进一步提高有效密度梯度计算精度,以实现超大密度比。同时,采用修正的压力张量方案来实现独立调节表面张力。通过数值实验验证所提出模型的性能,包括热力学一致性、Laplace定律、虚速度、椭圆液滴振荡和液滴撞击液膜。实验结果表明,在气液密度比超过10的非常低的温度下,模型仍能满足热力学一致性。模型能在大范围内调节表面张力而不受密度比的影响,同时虚速度最大不超过10。在涉及模拟超大密度比、可调表面张力以及高雷诺数的复杂流体问题时,本模型也能保持良好的数值稳定性。(2)设计并实现了两种GPU并行算法。首先基于SOA数据布局方式,采用Push流动方案,设计了一种双网格GPU并行算法,通过使用线程组织划分和寄存器方案进行综合优化。实验结果表明,该算法相比传统的CPU串行算法获得了约778倍的加速比。然而,该算法需要消耗双倍的内存空间,GPU内存容量有限,从而限制了研究流场的规模。因此,基于ET访存模式设计了一种单网格GPU并行算法,并同样采用线程组织划分以及寄存器方案进行综合优化。实验结果表明,该算法获得了约723倍加速比,且节约近50%的内存消耗。

关键词：晶格Boltzmann方法伪势模型超大密度比可调表面张力 GPU

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基于格子Boltzmann方法的三维伪势多相流模型的改进与应用

基于格子Boltzmann方法的三维伪势多相流模型的改进与应用

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作者：杨智超广西师范大学

学位级别：硕士

伪势模型在解决多相流问题时具有简单高效,自动实现相或组分分离的优点从而受到人们欢迎。然而,现有的伪势模型在气液两相密度比、独立调节表面张力以及虚速度等方面还存在着不足,这将会限制该模型的应用范围。针对这些不足,本文提出一... 详细信息

伪势模型在解决多相流问题时具有简单高效,自动实现相或组分分离的优点从而受到人们欢迎。然而,现有的伪势模型在气液两相密度比、独立调节表面张力以及虚速度等方面还存在着不足,这将会限制该模型的应用范围。针对这些不足,本文提出一种改进的三维伪势多相流模型,实现了超大密度比、独立调节表面张力与较低虚速度。另一方面,对于大规模三维流场的模拟计算,面临计算量与内存消耗量巨大的问题。采用图形处理单元（Graphics Processing Unit,GPU）并行计算可以大大提高模拟计算的计算效率。因此,本文还设计一种基于GPU的高效三维伪势多相流模型的并行算法,用来对模拟进行加速。主要工作如下: （1）提出了一个能实现超大密度比与独立调节表面张力的三维伪势改进多相流模型。通过采用矩空间与网格空间解耦方案,加宽气液界面过渡区,使得陡峭的过渡区域更加平缓。在此基础上,采用高精度差分方案,提高相互作用力的计算精度,实现超大密度比。引入修正压力张量,实现独立调节表面张力。通过Maxwell等面积重构算例验证了当前模型符合热力学一致性,并且实现了最大密度比能超过1011;使用Laplace算例验证了当前模型能够在很大范围内独立调节表面张力;采用流场静态液滴算例验证了虚速度在超低温度下能被抑制到10-4。将经过验证的模型应用于研究润湿表面液滴弹跳、润湿表面液滴运动、液滴撞击液膜和液滴撞击干燥表面问题。数值结果表明,增大表面张力或表面接触角能够增加润湿表面液滴弹跳的反弹高度和飞行时间。减小表面张力能够减缓亲水或者加速疏水表面的液滴运动。在超大密度比与高雷诺数情况下,模型能够重现液滴撞击液膜的真实物理过程,同时发现减小表面张力可以增加二次液滴和指状物的数量。在液滴撞击干燥表面算例中,当大于飞溅阈值时观察到了二次液滴的出现,并且表面张力的改变对铺展因子影响较弱,表面润湿性的改变则会造成较大影响。（2）设计了一种基于GPU的三维伪势改进多相流模型的并行算法。使用数组结构体（Structure of Array,SOA）存储布局与ET（Esoteric Twist）访存模式,减小对全局内存的访问,并降低算法的内存消耗。在此基础上,使用共享内存和内核融合进行优化,进一步提高算法的计算性能。实验结果表明,该算法在A100能达到811MLUPS,相比对应的CPU串行算法,最高能获得687倍的加速比,并且相比AB访存模式的算法能减少近一半的内存消耗。

关键词：格子Boltzmann方法伪势模型大密度比表面张力可调 GPU并行计算

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基于高阶精度差分的伪势MRT晶格Boltzmann多相流模型的研究及应用

基于高阶精度差分的伪势MRT晶格Boltzmann多相流模型的研究及应用

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作者：邱帅广西师范大学

学位级别：硕士

多相流普遍存在于自然界和工农业生产中,深入研究多相流在不同条件下所产生的现象和运动规律,对提高工农业领域的生产效率和安全性以及维持生态平衡都具有十分重大的意义。晶格Boltzmann方法具有清晰的物理背景、天然的并行特性、算法... 详细信息

多相流普遍存在于自然界和工农业生产中,深入研究多相流在不同条件下所产生的现象和运动规律,对提高工农业领域的生产效率和安全性以及维持生态平衡都具有十分重大的意义。晶格Boltzmann方法具有清晰的物理背景、天然的并行特性、算法简单和计算效率高等独特优势,已发展为主流的多相流数值模拟研究方法。其中,伪势模型由于其直接对微观分子间的相互作用力进行描述的作用机理,具有物理概念清晰、计算效率高和易于实现等优点而被广泛应用。本文通过进一步研究发现,原始的伪势模型在多相流模拟中仍存在一些不足,如:（1）密度梯度的计算存在误差,计算精度低;（2）不能适用于较大的气液相密度比和较大温度区间情况下的多相流数值模拟,鲁棒性差;（3）虚速度过大,稳定性弱。我们通过数值分析发现,使用传统中心差分算法计算伪势模型的密度梯度时,计算结果与理论值存在较大的误差。本文首先通过引入高阶精度差分算法计算密度梯度来提高计算精度。接着,通过分析单松弛晶格Boltzmann模型（Lattice-Bhatnagar-Gross-Krook,LBGK）和多松弛晶格Boltzmann模型（Multiple-Relaxation-Time,MRT）中松弛时间对模型机理的影响,发现在MRT模型中,随着松弛因子项的增大,可以显著地减小松弛时间对模型模拟稳定性的干预和影响。因此,将原始伪势模型的LBGK碰撞算子改为MRT碰撞算子,构建基于高阶精度差分的伪势多松弛MRT晶格Boltzmann多相流模型。在改进模型提出后,通过一系列数值模拟实验验证其性能。实验结果表明,使用改进模型模拟得到的气液两相共存密度曲线与Maxwell等面积构造法得到的理论值吻合得很好,并且在各个状态方程下的气液密度比均超过1012,其中对于R-K状态方程,气液密度比最高可达1018。改进模型在减小虚速度方面也得到了很大的改善,对于不同状态方程,最大虚速度均不超过0.0015。这些模拟表明,通过引入高阶精度差分算法以及MRT碰撞算子的改进模型可以明显提高计算精度和鲁棒性,减小虚速度。为进一步检验改进模型的性能,应用改进模型研究了单液滴和双液滴撞击液膜的流动特性。本文分别模拟了不同雷诺数、气液相密度比、水平距离和撞击速度等参数条件下,单、双液滴撞击液膜数值实验。模拟结果表明,雷诺数的大小是影响单液滴撞击液膜后产生冠状水花的铺展半径、水花高度及其能否产生二次液滴飞溅的关键参数,而气液两相密度比则主要影响冠状水花顶部弯曲方向。对于双液滴撞击液膜,两液滴中间区域的铺展水花在飞溅过程中发生撞击合并,形成一股垂直与水平液膜竖直向上的中心射流,且液滴左右两端的铺展水花与单液滴撞击液膜后产生的铺展水花现象相同。通过增大雷诺数、水平距离和撞击速度可使中心射流上升速度和上升高度增加,中心射流顶部水花逐渐变薄,并最终克服其表面张力作用产生二次液滴飞溅现象。此外,进一步增大雷诺数,当雷诺数Re=5000时,由于两液滴间的水花铺展更加充分,发生碰撞合并后的中心射流动能更大,从而使得中心射流顶部产生多个液滴的二次飞溅现象。上述数值实验证明,本文通过引入高阶精度差分算法及MRT碰撞算子构建的改进模型在研究实际多相流问题中表现出了良好的性能,且适用于较高雷诺数Re和较大气液相密度比情况下的多相流模拟,以期在复杂流体的动态多相流数值模拟领域中得到广泛地应用。

关键词：高阶精度差分 MRT 晶格Boltzmann方法伪势模型多相流

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用格子Boltzmann方法模拟液滴撞击固壁动力学行为

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计算力学学报 2009年第5期26卷 627-632页

作者：权生林李爽李维仲宋永臣大连理工大学能源与动力学院大连116024

首次用格子Boltzmann方法中的伪势模型对液滴撞击固壁的动力学行为进行了数值模拟。详细研究了液滴在壁面上的流动状态以及各种因素对撞击过程的影响。通过数值模拟得到:壁面的可润湿性越小,液滴越容易发生反弹,液滴的回缩速度越快;液... 详细信息

首次用格子Boltzmann方法中的伪势模型对液滴撞击固壁的动力学行为进行了数值模拟。详细研究了液滴在壁面上的流动状态以及各种因素对撞击过程的影响。通过数值模拟得到:壁面的可润湿性越小,液滴越容易发生反弹,液滴的回缩速度越快;液滴的撞击速度越大,所得到的相对直径越大,回缩速度越快;液滴的粘性越小,所得到的相对直径越大;液滴的表面张力越大,液滴越容易发生反弹现象。另外,液滴的最大相对直径与We数满足一定的线性关系,这些结果与前人的理论预测和实验结果完全吻合。

关键词：格子Boltzmann方法伪势模型两相流液滴撞击固壁数值模拟

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基于格子Boltzmann方法的液滴在圆柱壁面上运动过程研究

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化工学报 2024年第8期75卷 2897-2908页

作者：金虎杨帆戴梦瑶上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093

采用真实流体状态方程的伪势格子Boltzmann方法大密度比多相流模型,模拟了重力作用下的单液滴在圆柱壁面上的运动过程。计算结果表明,随着圆柱壁面疏水性沿重力方向逐渐增强,液滴运动过程可分为铺展和滑落两个阶段。壁面浸润性分布及其... 详细信息

采用真实流体状态方程的伪势格子Boltzmann方法大密度比多相流模型,模拟了重力作用下的单液滴在圆柱壁面上的运动过程。计算结果表明,随着圆柱壁面疏水性沿重力方向逐渐增强,液滴运动过程可分为铺展和滑落两个阶段。壁面浸润性分布及其变化率均会影响液滴运动过程,当液滴运动至圆柱下半部分时,其平均速度、最大速度、附着长度和液滴高度等参数随时间变化开始发生分化。此外,当液滴开始及完全运动至圆柱下半部分时,其所受附着力的水平及垂直分量分别达到最大。这些发现为深入理解液滴在圆柱壁面上的运动特性提供了重要的理论支持。

关键词：格子Boltzmann方法伪势模型液滴圆柱壁面浸润性分布多相流数值模拟计算流体力学

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基于不可压LBM的汽液两相流数值研究

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工程热物理学报 2020年第8期41卷 1952-1959页

作者：白冰张涛李汉卿陈军师忠卿张乃峰陈超邓磊车得福西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049 中国石油化工股份有限公司胜利油田注汽技术服务中心东营257068

本文利用格子Boltzmann方法(LBM)研究汽液分离过程与相界面的表面张力,在不可压单相LBM模型与Kupershtokh伪势模型基础上,通过引入Carnahan-Starling状态方程构建了一种单组份汽液两相LBM模型并开发了相应程序。本文采用周期性边界条件... 详细信息

本文利用格子Boltzmann方法(LBM)研究汽液分离过程与相界面的表面张力,在不可压单相LBM模型与Kupershtokh伪势模型基础上,通过引入Carnahan-Starling状态方程构建了一种单组份汽液两相LBM模型并开发了相应程序。本文采用周期性边界条件,模拟了汽液两相在不同初始密度下的分离过程,得到了两相完全分离的结果。此外,本文模拟了单个液滴从非平衡态到平衡态的演化过程,通过Laplace定律计算平衡态液滴表面张力与液滴半径、温度的关系,结果表明,LBM能较好地计算汽液两相流中的界面动力学问题;利用单组份汽液两相LBM模型与Laplace定律进行计算,结果表明液滴表面张力随温度升高而下降,该结论与实际流体表面张力与温度的关系定性上一致。这进一步验证了本文提出的单组份汽液两相LBM模型的有效性。

关键词：格子Boltzmann方法汽液两相流相分离伪势模型

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