基于格子Boltzmann方法的多界面耦合特性分析
发布时间：2023-12-28 18:41
多相流普遍存在于自然界和工业生产的各个领域中,如水力机械、船舶海洋及能源开发等,开展多相流相关机理研究,对改进生产技术,推动社会进步具有重要意义。多相流是研究气态、液态及固态物质混合流动的学科,涉及到两种以上不同相态组分物质共存并有明确分界面,如气泡界面、自由液面及其共存系统等。因此多界面耦合特性分析是以工程应用为背景的多相流的主要研究内容,也是多相流研究的一个重难点问题。水下机械设备在与流体相互作用时,往往会伴随着气泡的产生,如水轮机中的气泡及螺旋桨附近的空化气泡等,这些现象轻者会引发结构物振动,重者会造成结构物侵蚀、损毁。本论文以水轮机、舰船及螺旋桨系统中涉及到的气-液-固三相耦合系统为研究背景,从气泡-气泡、气泡-自由面、固体-自由面耦合三方面入手,借助格子Boltzmann方法对实际工程应用系统中涉及到的多界面耦合问题展开了系统的研究。由于多界面耦合过程中涉及到大变形、强间断等非线性问题,传统的有限元等宏观方法在处理该类问题上具有一定的局限性。格子Boltzmann方法是一种介观层面上的无网格方法,以分子动力学和统计力学为基础,用简单规则的微观粒子运动代替复杂的宏观流动,克服了...
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究的目的与意义
1.2 格子Boltzmann方法的发展历程
1.3 多界面耦合运动的研究现状
1.3.1 气-液耦合运动研究方法
1.3.2 气-液-固耦合运动研究方法
1.3.3 国内外研究现状
1.4 本文的主要研究内容
第2章 格子Boltzmann方法的基本原理
2.1 引言
2.2 格子Boltzmann方法
2.2.1 Boltzmann方程
2.2.2 格子Boltzmann方程
2.2.3 格子Boltzmann方程的基本模型
2.3 基本边界处理方法
2.3.1 启发式格式
2.3.2 动力学格式
2.3.3 运动边界
2.4 两相流程序设计流程及验证
2.4.1 计算域及边界有效性验证
2.4.2 两相流程序设计流程
2.4.3 圆柱绕流算例验证
2.5 本章小结
第3章 基于单相自由面模型的气泡运动分析
3.1 引言
3.2 单相自由面模型
3.2.1 界面移动量的计算
3.2.2 重建分布函数
3.2.3 标志重新初始化
3.3 单气泡上浮模型的建立与验证
3.3.1 引入表面张力模型
3.3.2 气泡上浮模型的建立
3.3.3 模型验证
3.4 单气泡上浮运动特性研究
3.4.1 不同半径气泡的上浮运动特性分析
3.4.2 不同粘度气泡的上浮运动特性分析
3.4.3 不同表面张力系数气泡的上浮运动特性分析
3.5 气泡出水过程分析
3.5.1 模型建立与原理分析
3.5.2 气泡破裂现象分析
3.5.3 不同参数的气泡破裂现象分析
3.6 本章小结
第4章 基于单相自由面模型的气泡耦合运动分析
4.1 引言
4.2 界面不稳定现象简述
4.2.1 气泡的撕裂现象
4.2.2 气泡的融合现象
4.3 相同半径双气泡的耦合分析
4.3.1 并排放置双气泡耦合分析
4.3.2 竖直放置双气泡耦合分析
4.3.3 斜对角放置双气泡耦合分析
4.4 不同半径双气泡的耦合分析
4.4.1 并排放置双气泡耦合分析
4.4.2 竖直放置双气泡耦合分析
4.4.3 斜对角放置双气泡耦合分析
4.5 本章小结
第5章 基于格子Boltzmann方法的结构入水耦合分析
5.1 引言
5.2 结构物入水冲击的基本模型
5.2.1 气-液-固三相耦合模型
5.2.2 流场作用力的计算
5.3 模型建立与程序验证
5.3.1 结构物入水模型
5.3.2 入水冲击算例验证
5.4 粘度对结构入水的影响
5.5 表面张力对结构入水的影响
5.6 本章小结
结论
参考文献
致谢
本文编号：3875973
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究的目的与意义
1.2 格子Boltzmann方法的发展历程
1.3 多界面耦合运动的研究现状
1.3.1 气-液耦合运动研究方法
1.3.2 气-液-固耦合运动研究方法
1.3.3 国内外研究现状
1.4 本文的主要研究内容
第2章 格子Boltzmann方法的基本原理
2.1 引言
2.2 格子Boltzmann方法
2.2.1 Boltzmann方程
2.2.2 格子Boltzmann方程
2.2.3 格子Boltzmann方程的基本模型
2.3 基本边界处理方法
2.3.1 启发式格式
2.3.2 动力学格式
2.3.3 运动边界
2.4 两相流程序设计流程及验证
2.4.1 计算域及边界有效性验证
2.4.2 两相流程序设计流程
2.4.3 圆柱绕流算例验证
2.5 本章小结
第3章 基于单相自由面模型的气泡运动分析
3.1 引言
3.2 单相自由面模型
3.2.1 界面移动量的计算
3.2.2 重建分布函数
3.2.3 标志重新初始化
3.3 单气泡上浮模型的建立与验证
3.3.1 引入表面张力模型
3.3.2 气泡上浮模型的建立
3.3.3 模型验证
3.4 单气泡上浮运动特性研究
3.4.1 不同半径气泡的上浮运动特性分析
3.4.2 不同粘度气泡的上浮运动特性分析
3.4.3 不同表面张力系数气泡的上浮运动特性分析
3.5 气泡出水过程分析
3.5.1 模型建立与原理分析
3.5.2 气泡破裂现象分析
3.5.3 不同参数的气泡破裂现象分析
3.6 本章小结
第4章 基于单相自由面模型的气泡耦合运动分析
4.1 引言
4.2 界面不稳定现象简述
4.2.1 气泡的撕裂现象
4.2.2 气泡的融合现象
4.3 相同半径双气泡的耦合分析
4.3.1 并排放置双气泡耦合分析
4.3.2 竖直放置双气泡耦合分析
4.3.3 斜对角放置双气泡耦合分析
4.4 不同半径双气泡的耦合分析
4.4.1 并排放置双气泡耦合分析
4.4.2 竖直放置双气泡耦合分析
4.4.3 斜对角放置双气泡耦合分析
4.5 本章小结
第5章 基于格子Boltzmann方法的结构入水耦合分析
5.1 引言
5.2 结构物入水冲击的基本模型
5.2.1 气-液-固三相耦合模型
5.2.2 流场作用力的计算
5.3 模型建立与程序验证
5.3.1 结构物入水模型
5.3.2 入水冲击算例验证
5.4 粘度对结构入水的影响
5.5 表面张力对结构入水的影响
5.6 本章小结
结论
参考文献
致谢
本文编号：3875973
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