模拟旋转自由液面的格子Boltzmann模型研究

虽然旋转自由液(体)(表)面是工程应用与自然界中最常见的重要现象之一,但由于该现象所涉及物理机制的复杂度,相关研究仍有待深入，需要不懈的进行研究理论的创新和研究手段的创新。随着计算机技术的发展，数值模拟成为该问题最有效的研究手段。然而受限于自身固有缺点，基于直接离散宏观控制方程的传统计算流体力学方法并不能满足实际需求，迫切需要开发新的数值模拟方法。最近出现的介观方法- - 格子Boltzmann方法- - 凭借其突出的优秀特性，成为有力的数值模拟新工具并已成功应用于自由液面的模拟。但现有的格子Boltzmann模型并不适用于旋转自由液面的模拟。本研究拟以申请人在德国作洪堡学者期间的最新工作成果为基础，结合Level Set界面处理技术，开发出适用于旋转自由液面模拟的格子Boltzmann新模型。本研究有望为旋转自由液面相关现象的数值预报提供一种新的准确、高效手段。

本研究以申请人在德国作洪堡学者期间的工作成果为基础，结合Level Set 界面处理技术，开发出适用于旋转自由液面模拟的格子Boltzmann 新模型。通过本项目的实施，共发表论文20篇，其中SCI收录14篇；培养研究生6名；参加国内外学术会议8人次。超额完成了任务书所规定的所有目标。主要的成果如下：.1）根据申请书的研究内容，研究了基于圆柱坐标系下格子Boltzmann 模型的伽利略不变性。通过多尺度分析技术进行了细致的分析，发现伽利略不变性丧失的根源在于格子自身对称性的程度。必须选择具有足够对称性的格子才能建立满足伽利略不变性的格子Boltzmann模型。相关研究成果发表于国际权威SCI杂志International Journal of Thermal Sciences （影响因子2.47）。.2）根据申请书的研究内容，开发了一个更稳定的模拟复杂传热过程的热格子Boltzmann 模型。通过引入传热学中的总焓概念构造了一类新的分布函数来处理复杂热边界并提高数值稳定性。所开发的模型能应用于现有热格子Boltzmann 模型不能处理的各类边界条件并能模拟具有大温度/密度比的燃烧火焰结构。相关研究成果发表于国际权威SCI杂志International Journal of Hydrogen Energy（影响因子3.548），International Journal of Heat and Mass Transfer（影响因子2.4），International Journal of Heat and Fluid Flow （影响因子1.581）。.3）根据申请书的研究内容，提出了一种新的界面质量守恒处理方法。界面质量不守恒将导致数值失稳并产生非真实的物理图象。通过引入表面化学中的吸附理论构造了一种简单的格式来保证边界的质量守恒。相关研究成果发表于国际权威SCI杂志EPL（影响因子2.26），Journal of Computational Physics（影响因子2.138）.4) 根据申请书的研究内容，开发了一个更稳定的模拟高速旋转运动的格子Boltzmann 模型。模拟了具有高速旋转运动的复杂传热传质现象。相关研究成果发表于国际权威SCI杂志International Journal of Thermal Sciences （影响因子2.47）。