【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及流体力学，特别涉及一种用于耦合传热颗粒流的体积格子boltzmann方法。
技术介绍
1、颗粒流是一种典型的两相流，广泛存在于自然界和工程应用中。在颗粒流中，流体作用下颗粒的运动状态会发生改变，反之，颗粒运动也会引起流场的扰动。因此流场本身也依赖于颗粒的分布和运动状态。颗粒与流体间的双向耦合使得颗粒-流体系统的分析、建模非常复杂。在实际工程中，颗粒与流体间通常会存在热量传递，由于颗粒与流体间的比热容和热导率往往不一致，颗粒与流体界面会存在共轭传热条件，这将进一步影响颗粒以及周围流场的动力过程。上述特征使得耦合传热颗粒流的数值模拟极具挑战，现有的宏观数值方法在处理颗粒流问题上往往会面临边界网格重构频繁、并行效率低等困难。
2、深入研究颗粒流，通常需要对流场和颗粒的微观行为，颗粒-流体间的相互作用以及颗粒-流体的热量传递有精确的描述。近年来，格子boltzmann方法逐渐成为模拟颗粒流的一种重要工具。格子boltzmann方法是一种计算流体力学的介观方法，它起源于格子气自动机，亦可视为boltzmann方程的一种特殊离散格式。在标准的格子boltzmann方法中，流体被离散为流体粒子，流体粒子的速度空间被离散为有限个速度的集合，流场空间被离散为均匀的网格，时间也被离散为等间隔的时间步，流体粒子只在网格上碰撞和流动。格子boltzmann方法以流体粒子分布函数为时空演化变量，能捕捉到流体微观结构，且宏观量的计算是局部的，因此具有易于处理复杂边界、计算效率高、易于并行等优势，极为适用于耦合传热颗粒流的物理建模和
技术实现思路
1、本专利技术的目的是：针对上述
技术介绍
中存在的问题，提供一种用于耦合传热颗粒流的体积格子boltzmann方法，其为流固统一计算的单区域算法，采用格点处的固相体积分数刻画颗粒；基于固相体积分数对迁移后的密度分布函数进行修正，实现固相区域的速度无滑移条件；基于将能量守恒方程中的对流项变换为源项，可处理颗粒与流体之间比热容和热导率的差异。
2、该方法具体包括如下步骤：
3、s1，设定网格步长、网格数、时间步长、无量纲松弛时间，设定颗粒直径、颗粒密度、颗粒比热容、颗粒热导率、流体密度、流体比热容、流体热导率，设定无量纲参数，计算格子声速；
4、s2，设置颗粒的初始速度、位置、受力，计算格点处的固相体积分数，初始化格点处的温度、内能、密度、速度，初始化格点处的密度分布函数和内能分布函数；
5、s3，执行密度分布函数格子boltzmann方程的局部碰撞过程，得到碰撞后的密度分布函数；执行内能分布函数格子boltzmann方程的局部碰撞过程，得到碰撞后的内能分布函数；
6、s4，求解颗粒的刚体运动方程，得到下一时刻颗粒的速度、位置、角速度，计算下一时刻格点处的固相体积分数、固相速度；
7、s5，执行密度分布函数格子boltzmann方程的线性迁移过程，得到迁移后的临时密度分布函数，根据格点处的固相体积分数对迁移后的临时密度分布函数进行修正，得到下一时刻的密度分布函数；执行内能分布函数格子boltzmann方程的线性迁移过程，得到下一时刻的内能分布函数；
8、s6，根据修正前后的密度分布函数，基于动量交换法，计算下一时刻颗粒所受流体力；
9、s7，根据内能分布函数、固相体积分数，局部计算格点处的对流项，求解获得下一时刻格点处的温度和内能；根据温度确定流体所受体积力，计算获得下一时刻格点处的密度和速度；
10、s8，根据边界条件确定边界格点处的密度、速度、内能、温度，采用格子boltzmann方法中的边界条件处理格式构造边界格点处的密度分布函数和内能分布函数；
11、s9，重复步骤s3～s8，直至颗粒运动结束或到达指定时刻。
12、进一步地，s1中采用标准d2q9离散速度集，离散速度为：
13、
14、其中c＝δx/δt为格子速度，δx和δt分别为网格步长和时间步长；
15、无量纲参数包括reynolds数、grashof数、prandtl数，分别定义为：
16、
17、其中为参考速度，ν和α分别为流体的运动粘度和热扩散系数。
18、进一步地，s2中设置初始颗粒质心位置xc、颗粒质心初始速度uc、角速度ωc，计算格点处的固相体积分数fs、固相速度us；初始化格点处的速度u和密度ρ；流体区域的温度初始化为高温th、固相区域的温度初始化为低温tc，计算格点处的内能∈，初始化颗粒所受实际流体力fout；密度分布函数fi和内能分布函数gi初始化为：
19、
20、其中fieq＝(m-1meq)i为平衡态密度分布函数，fv,i＝(m-1fm)i为离散力项，为平衡态内能分布函数，qv,i＝(m-1qm)i为离散源项；m为速度空间到矩空间的正交变换矩阵；
21、
22、meq为密度分布函数的平衡态矩函数：
23、
24、fm为矩空间离散力项：
25、
26、neq为内能分布函数的平衡态矩函数：
27、neq＝[∈,-4∈+(4+α1)cv,reft,4∈-(4-α2)cv,reft,0,0,0,0,0,0]t
28、qm为矩空间离散源项：
29、qm＝[qc,β1qc,β2qc,0,0,0,0,0,0]t
30、β1为固定值-4，α1、α2和β2为自由参数，cv,ref是为处理颗粒与流体之间比热容和热导率的差异而引入的参考比热，cv,ref的值在整个区域保持一致，选择为颗粒与流体比热容的调和平均值，即cv,ref＝2cv,scv,f/cv,s+cv,f；为源项，t+δt时刻，位置x处的温度梯度记为其局部计算公式为：
31、
32、其中，τg为内能分布函数的无量纲松弛时间；t+δt时刻，位置x处固体分数的时间导数记为其计算公式为：
33、
34、进一步地，s3中在矩空间执行密度分布函数格子boltzmann方程的局部碰撞过程为：
35、
36、其中，m＝m[f0,f1,…,f8]t为密度分布函数的矩，为碰撞后的矩，i为9×9的单位矩阵，s为矩空间对角松弛矩阵：
37、s＝diag(s0,se,sε,sj,sq,sj,sq,sp,sp)
38、其中s0＝sj＝1、sε＝se＝1.25、sp＝1/τf、碰撞后的密度分布函数为
39、在矩空间执行内能分布函数格子boltzmann方程的局部碰撞过程为：
40、
41、其中，n＝m[g0,g1,…,g8]t为内能分布函数的矩，为碰撞后的矩，r为矩空间的对角松弛矩阵：
42、r＝diag(σ0,σe,σε,σj,σq,σj,σq,σe,σe)
43、其中σ0＝1、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，S1中采用标准D2Q9离散速度集，离散速度为：
3.根据权利要求2所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，S2中设置初始颗粒质心位置Xc、颗粒质心初始速度Uc、角速度Ωc，计算格点处的固相体积分数fs、固相速度us；初始化格点处的速度u和密度ρ；流体区域的温度初始化为高温Th、固相区域的温度初始化为低温Tc，计算格点处的内能∈，初始化颗粒所受实际流体力Fout；密度分布函数fi和内能分布函数gi初始化为：
4.根据权利要求3所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，S3中在矩空间执行密度分布函数格子Boltzmann方程的局部碰撞过程为：
5.根据权利要求4所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，S4中计算下一时刻颗粒的质心速度Uc、质心位置Xc和角速度Ωc
6.根据权利要求5所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，S5中在速度空间执行密度分布函数格子Boltzmann方程的线性迁移过程，得到迁移后的临时密度分布函数：
7.根据权利要求6所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，S6中计算下一时刻颗粒所受流体力FMES：
8.根据权利要求7所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子Boltzmann方法，其特征在于，S7中计算下一时刻的温度：
...【技术特征摘要】
1.一种用于耦合传热颗粒流的体积格子boltzmann方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子boltzmann方法，其特征在于，s1中采用标准d2q9离散速度集，离散速度为：
3.根据权利要求2所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子boltzmann方法，其特征在于，s2中设置初始颗粒质心位置xc、颗粒质心初始速度uc、角速度ωc，计算格点处的固相体积分数fs、固相速度us；初始化格点处的速度u和密度ρ；流体区域的温度初始化为高温th、固相区域的温度初始化为低温tc，计算格点处的内能∈，初始化颗粒所受实际流体力fout；密度分布函数fi和内能分布函数gi初始化为：
4.根据权利要求3所述的一种用于耦合传热颗粒流的体积格子boltzmann方法，其特...
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