用晶格Boltzmann方法研究多孔介质内流体的复杂动力学特征.doc

《用晶格Boltzmann方法研究多孔介质内流体的复杂动力学特征.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、用晶格Boltzmann方法研究多孔介质内流体的复杂动力学特征用晶格Boltzmann方法研究多孔介质内流体的复杂动力学特征【摘要】：多孔介质内流体的运动是自然界中的一种常见现象，其应用涉及土木工程，化学工程，地下资源开采，农田水利，地下土壤污染防治，生物组织内液体的复杂流动等等。因此，研究渗流力学具有非常重要的意义。经典渗流力学一般使用微观、宏观、以及大区域等三种尺度。宏观尺度作为基本表征元，范围介于微观与大区域之间。三种尺度之间的差异是大的多或小的多。许多情况下，两种或三种尺度并存。由于多孔介质内部结构的复杂性，描述渗流运动的控制方程具备非线性特征，很难用传统的实验和理论方法对它进

2、行精确研究。计算机和计算渗流力学的发展，直接对控制方程进行数值研究成为可能。但是由于网格精度和边界稳定等问题的存在，一般计算渗流力学的应用和发展还是受到一定程度的限制。理论上，可以用分子动力学方法等微观模拟技术直接研究宏观渗流运动。但对于实际渗流问题，如同其它动力学系统，也可以有其它多种简化分析模型(通常是宏观模型)。晶格Boltzmann方法(LatticeBoltzmannmethod，简写为LBM)就是一种简化的基于微观尺度层次上的计算模型，它不是对宏观的连续方程直接进行离散化，而是从微观模型和某些细观动力学方程出发。在粗粒化近似下，这些细观动力学方程可以约化为宏观流体力学方程。

3、宏观方程对流体粒子的微观行为是不敏感的，但与流体粒子的细观行为有关。因此这种计算方法容易对涉及界面动力学和复杂边界在内的多孔介质渗流问题建立模型和进行数值模拟，并具有以下一些优点：节省计算机存储空间，基本上不存在截断误差和计算不稳定问题，边界条件也容易处理，并极为适合做大规模的并行运算，等等。这些优点使得LBM特别适用于研究渗流问题。本文我们应用晶格Boltzmann方法对渗流学科的一些复杂前沿问题进行了初步的探索。我们的工作主要包括：1．基于介观层面，运用晶格Boltzmann方法结合相应渗流理论以及数字图像重构理论，建立了一套新的分析流动—反应耦合渗流问题的数值分析模型。模拟结果与

4、解析解基本符合，数字图像重构技术反映的结果表明多孔介质内流【关键词】：晶格Boltzmann方法渗流流动反应低渗透对流换热熔融碳酸盐燃料电池多孔电极图像重构【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2006【分类号】：O359.2【目录】：摘要6-10ABSTRACT10-15目录15-17第一章绪论17-261.1引言17-211.2晶格Boltzmann方法的的简要发展历程21-231.3本文概要23-26第二章渗流力学中的晶格Boltzmann方法26-452.1基本思想26-272.2晶格Boltzmann方法的基本理论27-352.2.1HPP和FHP

5、两个格子气模型及碰撞规则27-302.2.2动理学层次回顾30-332.2.3晶格Boltzmann方法与统计力学的关系33-352.3从晶格Boltzmann方法到宏观渗流方程35-452.3.1晶格Boltzmann方程到修正的Brinkman-Forchheimer-Darcy方程36-402.3.2晶格Boltzmann方程到普通Darcy方程40-45第三章晶格Boltzmann方法研究渗流问题使用的边界条件45-583.1引言45-473.2晶格Boltzmann方法解决渗流问题时传统的边界条件47-503.2.1反向弹回(bounce-back),镜面反射(specula

6、rreflection)和扩散反射(diffusereflection)47-493.2.2速度滑移边界条件49-503.3渗流系统常有边界条件的几何描述50-583.3.1给定势的边界51-533.3.2给定流量的边界53-543.3.3没有渗入补给的稳定潜水面边界54-553.3.4没有渗入补给的非稳定潜水面55-563.3.5有渗入补给的稳定潜水面56-58第四章用晶格Boltzmann方法研究流动—反应耦合渗流问题58-694.1引言58-594.2数值理论与模型59-604.3实例模拟60-684.3.1实例一60-634.3.2实例二63-684.4结语68-69第五章数字

7、图像辅助晶格Boltzmann方法对低渗透多孔介质内流体运动特征的研究69-765.1引言69-705.2理论与方法70-725.2.1计算图像的提取705.2.2模拟方案70-725.3实例模拟72-745.3.1实例测试72-745.3.2Péclet数的数值分析745.4结语74-76第六章晶格Boltzmann方法对多孔介质中自然对流换热的研究76-916.3引言766.3理论与模型76-796.3实例计算79-916.3.1简单的正方