基于格子Boltzmann方法的空化流动模拟研究

当前水下射弹、高速旋转等设备性能和速度的不断提高，向水动力学和空泡流动研究提出了迫切的要求；而我国在此方面，特别是相关的数值模拟方法和模拟软件方面，与国际水平存在很大差距。本研究将以多相流格子Boltzmann方法为基础，探索基于该方法的空化流动模拟手段，并以此对空化流动若干细节及机理进行研究。该方法具有物理内涵深刻、适用范围广、适于并行化等特点。本研究的主要创新点在于：1、提出单组份多相流的变碰撞松弛时间模型，2、针对工程实际，将多相流模型与湍流等相关LB模型/方法相结合，并解决计算稳定性等问题，3、基于以上两点，对二维条件下的部分空化流动进行模拟，以验证方法的准确性和开展空化流动机理研究。本研究将为空化流动研究提供一种新的方法；对阐明空化流动的机理及LB方法的进一步发展，具有重要意义；同时也将为高速水中兵器/航海器、航天推进系统等相关设备/设施的技术改造和创新性设计提供理论支持。

当前，水下航行体/高速旋转等设备性能和速度的不断提高，向水动力学和空泡流动研究提出了迫切的要求。而我国在此方面，特别是相关的数值模拟方法和模拟软件方面，与国际水平存在很大差距。本研究以多相流格子Boltzmann方法（LBM）为基础，探索基于该方法的空化流动模拟手段，并依此对空化流动若干细节及机理进行研究。.本项目主要开展了基于LBM的多相流模型研究、高雷诺数湍流流动模拟方法以及空化流动的模拟研究。其中，前两点是整个研究的技术基础；后者为前两者的综合与深入。本项目中，我们在前两部分工作中主要是借鉴当前研究的最新成果，并针对本项目研究内容，对各种技术、模型进行综合测试、分析、评判。通过此部分研究，我们开展了相关“带相变”多相流模拟测试。一方面与理论分析结果对比发现，LBM可以对相关现象进行较高精度的模拟（LBM模拟结果与Rayleigh-Plesset方程预测结果相符）；另一方，通过对模拟结果的分析，我们发现：在剪切流动条件下，单个空泡长大过程（体积）基本不受影响；单个空泡的变形符合经典粘性流理论（变形参数与毛系数成正比）；多气泡相互作用可以显著改变气泡发展过程（甚至导致原本长大的气泡发生溃灭）；剪切流动相分离过程中，剪切率、表面张力等参数将影响空化流动相变的发展过程，但最终对气泡群的宏观形貌影响不大（气泡群形貌特征参数与无量纲时间成2/3次方关系）。同时，湍流模拟在传统RANS和LES模型基础上开展。对于NACA0012绕流和完全发展管道湍流的模拟结果显示，其具有相当高的精度。在此基础上，本项目中同时利用LBM开展了2D前台阶管道内的空化流动模拟研究。模拟采用经典Shan-Chen多相流模型和Guo粒子体积力模型，以及相关无反射边界条件等技术，获得了空化系数-空泡形貌关系图谱。研究同时表明，单纯的LBM多相流模型无法获得预期的空化流动形貌；结合特定流动条件，凝结核的存在是空化流动发生的前提，同时凝结核也将根据条件发挥不同的作用。本部分工作从另外一个方面解释了空泡流动的机理。.本项目执行过程中所获得的计算结果表明，格子Boltzmann方法（LBM）在多相流、高雷诺数湍流、声学模拟方面，较传统计算流体力学方法有特殊的优势，能够对特定的复杂现象实现较为精确的模拟。