基于相变过程的格子Boltzmann_模型及应用.pdf

2010 年 第 55 卷 第 3 期：205 ~ 211 《中国科学》杂志社 论 文 SCIENCE CHINA PRESS 基于相变过程的格子Boltzmann 模型及应用 * 曾建邦, 李隆键, 廖全, 崔文智, 陈清华, 潘良明 重庆大学动力工程学院, 重庆 400030 * 联系人, E-mail: longjian@ 2009-06-04 收稿, 2009-07-30 接受 国家自然科学基金(批准号:、中国核动力研究设计院空泡物理和自然循环国家重点实验室基金(编号: 9140C710901090C71, 9140C7101020802)资助项目 摘要 基于SC 模型提出了一种新的描述气液相变过程的格子Boltzmann 模型. 通过对单 关键词 组分相变过程的模拟, 验证了该模型的正确性. 通过对vdW 流体的模拟以及与Maxwell 格子Boltzmann 方法 构建原理的对比, 发现相对于 SC 和Zhang 模型, 新模型能够得到与理论解相近的结果, 相变过程 计算产生的最大伪速度介于SC 和Zhang 模型之间, 但扩大了温度的变化范围, 提高了模 Maxwell 构建 对比态原理 型的最大分离密度比, 使得新模型计算更加稳定, 适用范围更加广泛. 根据工程热力学 中的对比态原理, 以工程中常用氨和水两种工质为例, 利用新模型分别模拟不同状态方 程控制下的相变过程, 并与实验值进行了比较, 结果表明 P-R 状态方程更加适合描述氨 和水等物质的相变过程, 特别地, P-R 状态方程模拟结果与氨的实验值更加接近, 结果具 有重要工程意义. 格子Boltzmann 方法(LBM)是最近二十几年来发 型巧妙地避开了SC 模型中有效密度中的根号内出现 展起来的一种从介观层次模拟流体动力学的方法, 负号的问题, 但未对速度进行修正, 因而伪速度过大, 该方法具有微观粒子特性, 它可以方便地描述不同 导致模型的稳定性差. 基于上述模型存在的问题, 本 相之间的相互作用, 清晰地捕捉到两相界面. 因此, 文改变 SC 模型中处理体积力的方式, 使其避开利用 在模拟复杂流动和传热问题上具有常规方法所没有 有效密度及其梯度来求体积力, 并对速度进行了修 的优势, 从而为研究多相及相变流系统提供了一种 正, 而建立了一种新的描述气液相变过程的格子 有效的途径[1~3]. 自1993 年 Shan 和Chen[4]建立第一 Boltzmann 理论模型. 该模型在单组分相变过程的模 个基于场均理论的伪势模型以来(SC 模型), 该模型 拟中得到了验证. 为验证新模型的优越性, 利用其模 在模拟气泡运动、相分离以及多孔介质中多相流动等 拟ven der Waals(vdW)流体, 发现模拟结果相对于SC 方面已经取得巨大的成功[5~13]. 但由于 SC 模型在处 模型的模拟结果更加接近 Maxwell 构建求得的理论 理有效密度时涉及到开根号, 因此对根号内的表达 解, 最大伪速度介于 SC 和 Zhang 模型之间, 但温度 式值有严格为正数的要求, 这就大大限制了该模型 变化范围和最大分离密度比均较SC 和Zhang 模型大. 的适用性. Yuan 等人[14]通过调节g 值的符号来保证有 同时就我们所知, 多相格子Boltzmann