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基于格子Boltzmann方法的封闭空腔内自然对流数值模拟研究

作　者: 闫锦霞
导　师: 邹春
学　校: 华中科技大学
专　业: 热能工程
关键词: 格子Boltzmann方法数值模拟封闭空腔自然对流
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 336次
引　用: 2次
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内容摘要

封闭腔内自然对流换热问题在工程实际问题中有着广泛的应用背景,因而日益得到广泛的注意。随着科技的飞速发展,大规模科学与工程计算在科学研究和工程应用中的地位越来越重要,被公认为是科学研究中与实验和理论研究方法同等重要的第三种方法。流体运动的仿真模拟一直是大规模科学与工程计算的最为重要的领域之一,也是一个非常具有挑战性的课题。众多国内外学者对封闭腔内自然对流换热问题进行了大量的实验研究和数值分析。本文将新型的计算流体动力学方法——格子Boltzmann方法应用到对封闭方腔内自然对流的模拟研究中,研究内容包括两部分:(1)Rayleigh-Bénard自然对流的数值模拟。分别对下壁面均匀加热和非均匀加热两种情况进行了模拟研究,并给出了相应的速度矢量图和等温线分布图。研究了不同Ra数时,两种不同加热情况对流体流动状态的影响,并分析了其相似点及不同点。结果表明:低Ra数(103≤Ra≤105)时和已有文献中的结果吻合的很好;而对于高Ra数(106≤Ra≤107)时(该部分在目前还没有文献或者相关报道给出实验数据或者模拟数据),根据模拟结果观察到一个新的现象:在两种加热情况下,当Ra数达到107时,均出现了低湍流状态。(2)103≤Ra≤107的自然对流模拟。计算了封闭腔内的速度矢量图和等温线图,并给出了不同Ra数时,沿着方腔的水平中心线上的无量纲温度T、速度V以及沿着方腔竖直线上的速度U的分布图。通过对不同Ra的数值模拟及与各种数值方法计算结果的对比分析,表明该热格子Boltzmann模型在模拟自然对流时,具有良好的可行性、精确性和数值稳定性。通过封闭腔内自然对流换热数值模拟研究表明:随着Ra数增大,边界层厚度明显减小,温度梯度增大,在靠近顶端表面的中间区域有最小的温度梯度,当Ra数达到107时,封闭腔内自然对流流动出现低湍流状态。所采用热格子Boltzmann模型在模拟高Ra数自然对流时,表现出了良好的数值准确性和稳定性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题背景及意义  8-10
  1.2 国内外研究概况  10-13
  1.3 课题的研究内容  13-14
2 格子 Boltzmann 方法简介  14-25
  2.1 格子 Boltzmann 方法的基本模型及边界处理方法  15-17
    2.1.1 格子Boltzmann 方法的基本模型  15-17
    2.1.2 格子Boltzmann 方法的边界处理方法  17
  2.2 热格子 Boltzmann 模型  17-25
    2.2.1 MS 模型  18-20
    2.2.2 DDF 模型  20-22
    2.2.3 TD2G9 热格子Boltzmann 模型  22-25
3 封闭空腔内自然对流的格子 Boltzmann 方法模拟  25-38
  3.1 计算模型及边界条件  25-27
    3.1.1 双分布热格子模型  25-26
    3.1.2 无量纲参数  26-27
    3.1.3 计算区域的几何尺寸及边界条件  27
  3.2 低 Ra 数自然对流的数值模拟  27-35
    3.2.1 流线的显著特征  28
    3.2.2 等温线的显著特征  28-33
    3.2.3 中心线上的温度及速度变化  33-35
  3.3 高 Ra 数自然对流的数值模拟  35-36
  3.4 模拟结果分析与讨论  36-38
4 Rayleigh-Bénard 自然对流的格子 Boltzmann 方法模拟  38-58
  4.1 计算区域的几何尺寸和边界条件  38-40
  4.2 下边界均匀加热情况下的数值模拟  40-50
    4.2.1 低Ra 数自然对流的数值模拟  40-44
    4.2.2 高Ra 数自然对流的数值模拟  44-50
  4.3 下壁面非均匀加热情况下的数值模拟  50-56
    4.3.1 低Ra 数自然对流的数值模拟  50-52
    4.3.2 高Ra 数自然对流的数值模拟  52-56
  4.4 模拟结果分析与讨论  56-57
  4.5 本章小结  57-58
5 全文工作总结和进一步工作建议  58-60
  5.1 全文工作总结  58-59
  5.2 进一步工作建议  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-66

基于格子Boltzmann方法的封闭空腔内自然对流数值模拟研究

内容摘要

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