三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

doi:10.19596/j.cnki.1001-246x.8048

计算物理 ›› 2020, Vol. 37 ›› Issue (3): 277-283.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8048

三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

胡玉, 孙涛

大连民族大学土木工程学院, 辽宁大连 110066

收稿日期:2019-01-25 修回日期:2019-04-10 出版日期:2020-05-25 发布日期:2020-05-25
通讯作者: 孙涛,男,博士,主要从事两相流动,传热传质机理及数值计算方法的研究,E-mail:suntao@dlnu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（51706035）及中央高校基本科研业务费（wd01125）资助项目

Three-dimensional Numerical Simulation of Dynamics Characteristics of Two Rising Bubbles with Lattice Boltzmann Method

HU Yu, SUN Tao

College of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian, Liaoning 110066, China

Received:2019-01-25 Revised:2019-04-10 Online:2020-05-25 Published:2020-05-25

摘要/Abstract

摘要： 应用格子Boltzmann三维模型，对双气泡在静水中的运动进行数值研究.采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶▽φ和二阶▽²φ可以有效避免气液密度比过大造成的数值不稳定问题.结果表明：当两个相同直径的气泡在上升时，位置靠上的气泡形状变化像单气泡上升一样，而位置靠下的气泡会受到前一个气泡尾迹的影响，并有很明显的形状变化.当两个气泡直径不同时，不管初始位置如何，大气泡总会对小气泡造成强烈的影响.

关键词: 格子Boltzmann方法, 三维模拟, 双气泡, 运动特性, 流场

Abstract: Dynamics characteristics of two bubbles in a quiescent fluid were simulated with three-dimensional lattice Boltzmann model. Eight-point and eighteen-point difference schemes were used to calculate the first and the second order derivative ▽ φ and ▽²φ in order to avoid numerical instability caused by large density ratios. It shows that for two rising bubbles with same size, the leading bubble rises like an isolated bubble, and the trailing bubble is influenced by the wake of the leading bubble. For two rising bubbles with different sizes, however, the larger bubble always strongly affects the smaller one in any initial sizes and locations.

Key words: lattice Boltzmann method, three-dimensional simulation, two bubbles, dynamics characteristics, flow field

中图分类号:

O359

胡玉, 孙涛. 三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性[J]. 计算物理, 2020, 37(3): 277-283.

HU Yu, SUN Tao. Three-dimensional Numerical Simulation of Dynamics Characteristics of Two Rising Bubbles with Lattice Boltzmann Method[J]. CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS, 2020, 37(3): 277-283.

参考文献

[1] 谢应明, 周兴法, 舒欢, 等. 一种家用太阳能气泡泵吸收式空调的系统设计与技术经济性分析[J]. 流体机械, 2014:72-76.
[2] PILLIOD J E, PUCKETT E G. Second-order accurate volume-of-fluid algorithms for tracking material interfaces[J]. Journal of Computational Physics, 2004, 199:465-502.
[3] ROTHMAN D H, KELLER J M. Immiscible cellular-automaton fluids[J]. Journal of Statistical Physics, 1988, 52:1119-1127.
[4] GNNSTENSEN A K, ROTHMAN D H, ZALESKI S. Lattice Boltzmann model of immiscible fluids[J], Physical Review A, 1991, 43(8):4320-4327.
[5] SHAN X, DOOLEN G. Multicomponent lattice-Boltzmann model with interparticle interaction[J]. Journal of Statistical Physics, 1995, 81:379-393.
[6] SHAN X, HE X. Discretization of the velocity space in the solution of the Boltzmann equation[J]. Physical Review Letters, 1998, 80:65-68.
[7] SWIFT M R, OSBORN W R, YEOMANS J M. Lattice Boltzmann simulation of nonideal fluids[J]. Physical Review Letters, 1995, 75:830-833.
[8] ZHENG H W, SHU C, CHEW Y T. Lattice Boltzmann interface capturing method for incompressible flows[J]. Physical Review E, 2005, 72:056705.
[9] LV Y, NIE D, LIN J. Lattice Boltzmaan simulation of gas bubble merging in three dimeasions[J]. Chinese J Comput Phys, 2015, 32(5):553-560.
[10] 蒋昌波, 王刚, 邓斌, 等. 不同尺度水平并列气泡运动特性三维数值研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2015, 23(2):233-245.
[11] CAHN J W, HILLIARD J E. Free energy of a nonuniform system I:Interfacial free energy[J]. The Journal of Chemical Physics, 1958, 28(2):258.
[12] LEE T, LIN C L. A stable discretization of the lattice Boltzmann equation for simulation of incompressible two-phase flows at high density ratio[J]. Journal of Computational Physics, 2005, 206(1):16-47.
[13] HUANG H, ZHENG H, LU X Y, et al. An evaluation of a 3D free-energy-based lattice Boltzmann model for multiphase flows with large density ratio[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2010, 63:1193-1207.
[14] BHAGA D, WEBER M E. Bubbles in viscous liquids:Shapes, wakes and velocities[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1981, 105:61-85.
[15] BRERETON G, KOROTNEY D. Coaxial and oblique coalescence of two rising bubbles[J]. Dynamics of Bubbles and Vortices Near a Free Surface, AMD, 1991:119.

三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

Three-dimensional Numerical Simulation of Dynamics Characteristics of Two Rising Bubbles with Lattice Boltzmann Method

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

作者中心

审稿中心

期刊浏览

期刊介绍

[1]	冯舒婷, 戴厚平, 宋通政. 二维空间分数阶反应扩散方程组的格子Boltzmann方法[J]. 计算物理, 2022, 39(6): 666-676.
[2]	刘嘉鑫, 郑林, 张贝豪. 多孔介质方腔内双扩散自然对流熵产的格子Boltzmann模拟[J]. 计算物理, 2022, 39(5): 549-563.
[3]	林品亮, 冯欢欢, 董宇红. 具有多孔介质覆面层的柱体绕流流场分析[J]. 计算物理, 2022, 39(4): 418-426.
[4]	张巧玲, 景何仿. 三维曲面腔顶盖驱动流的MRT-LBM研究[J]. 计算物理, 2022, 39(4): 427-439.
[5]	陈露, 高明, 梁佳, 王东民, 赵玉刚, 章立新. 润湿梯度作用下液滴在倾斜表面向上运动的格子Boltzmann模拟[J]. 计算物理, 2021, 38(6): 672-682.
[6]	魏雪丹, 戴厚平, 李梦军, 郑洲顺. 一维空间Riesz分数阶对流扩散方程的格子Boltzmann方法[J]. 计算物理, 2021, 38(6): 683-692.
[7]	娄钦, 汤升, 王浩原. 基于格子Boltzmann大密度比模型的多孔介质内气泡动力学行为数值模拟[J]. 计算物理, 2021, 38(3): 289-300.
[8]	梁佳, 高明, 陈露, 王东民, 章立新. 液滴撞击不同湿润性固壁面上静止液滴的格子Boltzmann研究[J]. 计算物理, 2021, 38(3): 313-323.
[9]	袁俊杰, 叶欣, 单彦广. 格子Boltzmann方法模拟填充纳米流体三角形腔内的自然对流[J]. 计算物理, 2021, 38(1): 57-68.
[10]	王坚毅, 潘振海, 吴慧英. 微通道内椭球颗粒惯性聚焦行为数值研究[J]. 计算物理, 2020, 37(6): 677-686.
[11]	唐古月, 娄钦, 李凌. 格子Boltzmann方法分析加热尺寸和瑞利数对可变形开口腔内自然对流的影响[J]. 计算物理, 2020, 37(3): 263-276.
[12]	居隆, 张春华, 陈松泽, 郭照立. 多孔介质中非等温互溶流体驱替过程的格子Boltzmann研究[J]. 计算物理, 2019, 36(6): 648-658.
[13]	孙涛, 刘志斌, 范伟, 秦海杰. 过热液体中蒸汽泡上升过程的格子Boltzmann三维数值模拟[J]. 计算物理, 2019, 36(6): 659-664.
[14]	穆知雨, 刘振宇, 吴慧英. 微尺度稀薄效应下颗粒沉降的格子Boltzmann方法模拟[J]. 计算物理, 2019, 36(4): 395-402.
[15]	娄钦, 臧晨强, 王浩原, 李凌. 微通道内不混溶气液两相二氧化碳界面动力学行为的格子Boltzmann研究[J]. 计算物理, 2019, 36(2): 153-164.