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『簡體書』格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究

書城自編碼： 3822409
分類：簡體書→大陸圖書→自然科學→物理學
作者： 吴勇勇
國際書號(ISBN)： 9787302616207
出版社： 清华大学出版社
出版日期： 2022-12-01

頁數/字數： /
書度/開本： 16开 釘裝： 精装

售價：HK$ 111.3

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編輯推薦：
《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》详细介绍了本研究所处的多松弛MRT算法框架以及使用的Shan-Chen(SC)伪势模型公式和LBM中量纲转换问题。《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》展示了一种具备强数值稳定性的多相流算法框架。
《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》可供有需要的科研人员在前沿基础研究中进行参考。
內容簡介：
《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》是作者在博士期间研究课题的总结，主要面向对格子玻尔兹曼算法（Lattice Boltzmann method，LBM）及汽/气液多相流计算感兴趣的研究人员，提供了目前作者对于LBM及相关多相流算法在数值稳定性方面的研究认识，并横向对比了目前LBM与其他直接数值模拟方法在模拟汽/气液多相流（如液滴对撞）上的数值稳定性。 为方便读者了解并复现书中的算法及案例，《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》详细介绍了所用的多松弛MRT算法框架以及使用的Shan-Chen(SC)伪势模型公式。书中展示了一种具备强数值稳定性的多相流算法框架。通过《格子玻尔兹曼汽液多相流算法数值稳定性研究》的介绍，读者能够实现极高参数下的复杂汽/气液多相流过程模拟。
關於作者：
吴勇勇，男，2011年8月考入清华大学工程物理系工程物理（能源实验班）专业，2015年7月本科毕业并获得工学学士学位。2015年8月免试进入清华大学核能与新能源技术研究院攻读核科学与技术博士，热工水力研究室(107)姜胜耀课题组，导师屠基元，指导老师杨星团、桂南等。2017年12月到2019年1月，受国家留学生基金委资助，以联合培养博士生身份赴美国德克萨斯州 A&M 大学核工程系Hassan教授课题组学习。2021年7月毕业并获评清华大学优秀博士学位论文、清华大学优秀博士毕业生。博士期间主要从事格子玻尔兹曼多相流算法、高温气冷堆球床热扩散系数及热导率测量、热物性测量仪器研究开发、PIV实验测量、海水淡化等方面工作。
目錄：
第1章引言
1.1课题背景及意义
1.2研究现状
1.2.1LBM的发展及现况
1.2.2LBM中的多相流模型
1.2.3各界面类方法研究现状
1.3本书研究内容

第2章多松弛MRT格子玻尔兹曼模型介绍
2.1多松弛MRTLBM的基本计算过程
2.2多松弛方法对应的宏观方程
2.3LBM中的多相流模型
2.4LBM中的单位转换
2.5本章小结

第3章LBM的不稳定性分析及限制器
3.1不稳定性成因及限制器
3.1.1概率密度分布函数的正值性
3.1.2伪势梯度在界面的一致性
3.1.3状态方程的奇异点
3.1.4体积黏性系数的稳定作用
3.1.5沿相界面变化的运动黏性
3.2数值案例稳定性验证
3.2.1静态平行相界面案例
3.2.2静态液滴案例
3.2.3液滴在薄液层上的溅射
3.3本章小结

第4章MRT的四阶力项展开分析
4.1额外项调节伪势模型的问题
4.2MRT中额外项的高阶余项分析
4.2.1三阶项与四阶项的展开
4.2.2高阶余项对数值模拟影响的分析
4.2.3MRT中离散效应的跳跃分布
4.3数值验证
4.3.1平行相界面验证
4.3.2静态液滴验证
4.3.3运动液滴验证
4.4本章小结

第5章解耦且稳定化的MRT算法
5.1本章背景
5.2解耦且稳定化的MRT算法推导过程
5.2.1解耦的MRT算法框架
5.2.2稳定化方案
5.3标准数值案例验证
5.3.1平衡态汽液共存曲线
5.3.2泰勒格林涡流动
5.3.3剪切波流动
5.3.4稳态泊肃叶流动
5.3.5拉普拉斯定律
5.3.6小结
5.4多相流应用案例研究
5.4.1双液滴对撞案例
5.4.2液滴溅射案例
5.4.3液滴撞击固壁案例
5.4.4池式沸腾
5.5本章小结

第6章总结与展望
6.1总结
6.2创新点
6.3展望

参考文献

在学期间完成的相关学术成果

致谢


CONTENTS
Chapter 1Introduction
1.1Background
1.2Research Actuality
1.2.1Development and Actuality of LBM
1.2.2Multiphase Models in LBM
1.2.3Overview of Interfacecapturing Methods
1.3Book Layout

Chapter 2Mathematical Basics of MRTLBM
2.1Numerical Implementation of MRTLBM
2.2Macroscopic Equations Recovered by MRTLBM
2.3Multiphase Model Implementation in LBM
2.4Unit Conversion in LBM
2.5Summary

Chapter 3Analysis of Numerical Instability in LBM and Limiters
3.1Numerical Instability and Limiters
3.1.1Positivity of Probability Distribution Function
3.1.2Consistency of Interphase Force in SC Model
3.1.3Singularity of Equations of State
3.1.4Stabilization of Bulk Viscosity
3.1.5Schemes for Variation of Interphase Viscosity
3.2Validation of Numerical Stability
3.2.1Planar Interface Validation
3.2.2Stationary Droplet
3.2.3Droplet Splashing on Thin Film
3.3Summary

Chapter 4Highorder Analysis of Force Terms in MRTLBM
4.1Existing Problem of Additional Force in SC Model
4.2Highorder Analysis of Additional Force in MRT Scheme
4.2.1Thirdorder and Forthorder Expansions
4.2.2Effect of Highorder Residual in Vapor Density
4.2.3Staggered Arrangement of MRT Discretization
4.3Numerical Verification
4.3.1Planar Interface Verification
4.3.2Stationary Droplet Verification
4.3.3Moving Droplet Verification
4.4Summary

Chapter 5Decoupled and Stabilized MRTLBM
5.1Background
5.2Derivation of Decoupled and Stabilized MRTLBM
5.2.1Framework of Decoupled MRTLBM
5.2.2Stabilization Scheme
5.3Numerical Verification by Benchmark Cases
5.3.1Coexistence Curve of Equilibrium State
5.3.2Taylor Green Vortex Flow
5.3.3Shear Wave Flow
5.3.4Steady Poiseuille Flow
5.3.5Laplace’s Law
5.3.6Summary
5.4Applied Research of Multiphase Flow
5.4.1Headon Binary Droplet Collisions
5.4.2Droplet Splashing on Thin Film
5.4.3Droplet Impact on Dry Wall
5.4.4Pool Boiling
5.5Summary

Chapter 6Conclusions and Future Recommendations
6.1Conslusions
6.2Innovations of the Study
6.3Future Work Recommendations

References

Achievements

Acknowledgements
內容試閱：
气/汽液两相流是广泛存在于能源动力、化工生产、航空航天等众多军民工业体系中的重要物理过程，对两相流作用机理的认识与控制是提升工业生产效率和保障安全的前提。由于汽液两相流复杂的相界面演化机制，导致其随物理参数不同而呈现多变的流型分布，因此对两相流相关的理论、实验、数值算法等方面的基础研究至今仍是科学界的前沿领域。
汽液两相流界面解析的直接数值模拟算法是用于研究汽液相界面聚并、分离、破碎等基础演化过程及其宏观组合表现的重要手段。而当前计算方法受限于数值稳定性和准确性方面的制约，尚难以对高密度比、高雷诺数、高韦伯数、高速下的复杂汽液相界面演化过程进行准确预测和研究，导致对高参数下两相作用机理、流型发展、宏观效率影响的认识存在不足。因此建立一种能稳定准确解析相界面演化的汽液两相流直接数值模拟算法，实现两相流从低到高参数范围的稳定模拟并准确预测汽液相界面演化，对于提升我们对两相流认识及其工业应用有重要意义。
格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method，LBM)是近年来迅速发展的一类流体计算方法，被广泛应用于多相流、多孔介质、化学表面沉积、燃料电池、微流体等前沿研究方向。但由于动力松弛过程限制导致的数值发散使得此方法长期受限于低参数下，因此增强算法在高参数下的数值稳定性也是目前格子玻尔兹曼方法研究中的重要前沿问题。
作者在书中围绕LBM汽液多相流计算数值稳定性方面独立开展了一系列有意义的研究工作，书中研究了目前LBM在多相流计算中产生数值不稳定的原因，提出了相应的稳定化方案，并完善了多相流模型的作用力格式及状态方程等。通过完整的数学推导，揭示了多松弛方法（multiplerelaxationtime，MRT）作用力格式的四阶项形式及各阶阶跃分布的特性，并依据数学公式提出两类抑制其高阶效应的方案，阻止了汽相密度异常偏离的非物理现象。
在前述研究基础上，作者进一步独立提出了一种解耦且稳定化的LBM算法框架，将松弛因子与黏性解耦并实现稳定化，消除了传统MRT中存在于二阶展开上的速度三次方余项，使得此算法具备准确二阶数值精度、伽利略不变性和各向同性等性质，设计的松弛因子稳定化方案也使得此方法具备了强数值稳定性质。本书以此算法实际模拟了液滴对撞、液滴溅射、液滴碰壁与成核沸腾等实际多相流问题，并得到从低到高参数下的问题解。液滴对撞结果与实验进行了详细对比验证，研究了极高参数下相界面的演化机理，同时也证明了此算法在高参数两相流计算方面优良的数值稳定性和有效性。
作者在此书工作中做了充分的文献调研，数学推理严谨，验证详细，主线和文字逻辑表述清晰，所给出的各项结论及成果为LBM算法数值稳定性研究领域提供了有价值的学术拓展，所提出的解耦且稳定化LBM框架在汽液多相流前沿研究中具有很好的计算应用价值。
屠基元
清华大学核能与新能源技术研究院
2022年4月12日

 

 

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