[發(fā)明專利]一種基于晶格Boltzmann模型模擬顆粒周期性運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)處理方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010187011.0
• 申請(qǐng)日: 2020-03-17
• 公開（公告）號(hào): CN111368487B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聞炳海;葉勇;周華杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣西師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/28
• 分類號(hào): G06F30/28;G16C10/00;G06F111/10;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標(biāo)事務(wù)所有限責(zé)任公司 45112
• 代理人: 楊雪梅

本發(fā)明公開了一種基于晶格Boltzmann模型模擬顆粒周期性運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)處理方法，該方法步驟包括：1）流場(chǎng)初始化，2）流場(chǎng)演化，3）邊界處理，4）動(dòng)量交換法修正，5）宏觀量計(jì)算。該方法改進(jìn)了現(xiàn)有的在模擬流場(chǎng)內(nèi)顆粒不能直接地從流場(chǎng)一端流出，同時(shí)從流場(chǎng)另一端流進(jìn)的模擬方法，該方法采用的動(dòng)量交換法相較于其他的流固耦合方法，具有計(jì)算固體表面的水力，獨(dú)立于顆粒的幾何形狀，形式簡(jiǎn)單，計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)；動(dòng)量交換的修正改進(jìn)，可以模擬傳統(tǒng)動(dòng)量交換法和其他流固耦合方法不能模擬的復(fù)雜形狀管道，增加了模擬顆粒分選、聚集、遷移等不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降哪M場(chǎng)景，并且大大減少了內(nèi)存的消耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于晶格Boltzmann模型模擬顆粒周期性運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)處理方法。

背景技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算不知疲倦的特性，數(shù)值模擬方法逐漸成為與實(shí)驗(yàn)和理論分析并列的三大科學(xué)研究方法之一。其中，在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域，晶格Boltzmann方法(LBM)成為一種主流的數(shù)值模擬方法。LBM物理背景清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單高效，在介觀尺度下模擬復(fù)雜流體行為，已被成功利用于湍流、多相流、微流體等復(fù)雜系統(tǒng)的模擬。

為了研究顆粒懸浮問題，模擬流固相互作用主要有三種方法：動(dòng)量交換法、浸入邊界法和壓力張量積分法；后兩者采用解微積分方程，計(jì)算過程復(fù)雜，效率低，尤其張量積分法會(huì)引入誤差，降低計(jì)算的穩(wěn)定性，計(jì)算負(fù)載比動(dòng)量交換法大。動(dòng)量交換法(GME)在計(jì)算形式上與LBM網(wǎng)格化特點(diǎn)相適應(yīng)，流固相互作用通過穿越邊界的動(dòng)量元求和得到，無需外推或者插值。相對(duì)于解微積分方程的方法，GME可對(duì)復(fù)雜形狀的邊界求解受力，并且充分保持了LBM的計(jì)算本地性和并行性。

邊界條件是LBM當(dāng)中驅(qū)動(dòng)流場(chǎng)的重要因素，邊界條件的不同實(shí)現(xiàn)方法對(duì)LBM的計(jì)算精度、數(shù)值穩(wěn)定性和計(jì)算效率有很大影響。LBM邊界格式大致分為啟發(fā)式、動(dòng)力學(xué)格式和插值格式；按類型又可分為速度邊界和壓力邊界。由于計(jì)算機(jī)設(shè)備內(nèi)存容量和計(jì)算能力的限制，計(jì)算模擬域不能無限大或者無窮遠(yuǎn)，所以人們想要模擬現(xiàn)實(shí)中比較長(zhǎng)或者比較寬廣的流域，利用局部流場(chǎng)的相似性進(jìn)行周期性模擬，亦可達(dá)到完全按照客觀流域尺寸模擬的效果。當(dāng)前普遍采用挪動(dòng)網(wǎng)格的方式解決顆粒不能穿過流場(chǎng)出入口的問題，即把顆粒在向前移動(dòng)一小段距離后，整體把流場(chǎng)往后挪動(dòng)，在對(duì)原流場(chǎng)特性的改變忽略不計(jì)的條件下，顆粒始終在流場(chǎng)內(nèi)部的一小段區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，這種方法的缺點(diǎn)在于只適用密度梯度不變的平直管道。傳統(tǒng)的周期性邊界往往采取的是體力驅(qū)動(dòng)方式，該方式是假設(shè)流場(chǎng)內(nèi)每個(gè)流體點(diǎn)自發(fā)受到某個(gè)方向的作用力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)是不能全面地實(shí)現(xiàn)客觀世界流場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)方式，比如彎曲管道內(nèi)攜帶微粒的試液是在壓力的推動(dòng)下運(yùn)動(dòng)的，用體力驅(qū)動(dòng)很難確定每個(gè)流體點(diǎn)受力的方向，因而無法對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)做出精確的模擬。

周期性壓力邊界處理方法，可以模擬原來不能精確模擬的彎曲管道，比如蛇形和環(huán)形管道，耦合動(dòng)量交換法研究顆粒在復(fù)雜管道里的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可應(yīng)用于模擬微流體和微流控領(lǐng)域模擬細(xì)胞輸運(yùn)、聚集和分選等實(shí)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服周期性體力驅(qū)動(dòng)模擬驅(qū)動(dòng)方式的不全面，以及挪動(dòng)網(wǎng)格不能準(zhǔn)確模擬彎曲管道的局限性問題，而提供一種基于晶格Boltzmann模型模擬顆粒周期性運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)處理方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

一種基于晶格Boltzmann模型模擬顆粒周期性運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)處理方法，包括如下步驟：

1)流場(chǎng)初始化：根據(jù)離散化的格子氣模型導(dǎo)出的Navier-Stokes方程，采用n維離散空間和m速度空間的離散網(wǎng)格模型DnQm，建立模擬顆粒周期性運(yùn)動(dòng)的模擬流場(chǎng)，設(shè)置流場(chǎng)的求解范圍、邊界條件和初始條件，邊界條件為周期壓力邊界，初始條件包括流體分布函數(shù)、密度、初始速度、節(jié)點(diǎn)類型、顆粒的半徑和顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

2)流場(chǎng)演化：根據(jù)LBM演化方程，對(duì)步驟1)建立的整個(gè)模擬流場(chǎng)內(nèi)的流體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行碰撞和分布函數(shù)的流動(dòng)，完成一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δt內(nèi)流場(chǎng)絕大部分非邊界處理區(qū)域的模擬過程；