浸入运动边界-格子Boltzmann方法4种固含率计算方法对比研究

摘要

为了达到流固耦合，格子Boltzmann方法(LBM)可采用浸入运动边界法(IMB)实现移动颗粒边界上的无滑移条件.该耦合方式(IMB-LBM)中固含率计算方法对流固耦合计算精度和效率有影响.对常用的固含率4种计算方法，即蒙特卡洛法(MCM)、单元分解法(UDM)、近似多边形法(APM)和闭合边界法(CBM),分别阐述其具体算法，对比了它们的计算精度和计算效率；最后通过圆盘颗粒非连续变形分析方法(DDDA)与IMB-LBM耦合模型下的一个多颗粒沉降流固耦合算例，对比分析了它们在流固耦合计算过程中的耗时.结果表明：1) CBM无误差，MCM和UDM在随机点数取1 000,子单元数取100时误差稳定在1%以下，APM在颗粒直径大于格子长度10倍时，误差小于0.44%;2) MCM和UDM的计算精度及耗时分别与随机点数和子单元数相关，它们的计算耗时大于APM和CBM;3)计算效率上，APM>CBM>UDM>MCM,其中CBM计算耗时略微大于APM,APM和UDM计算耗时分别比MCM少2个和1个数量级.该结果可为IMB-LBM耦合模型中固含率计算方法优选提供借鉴.

关键词

格子Boltzmann方法 / 浸入运动边界法 / 固含率计算 / 近似多边形法 / 圆盘颗粒非连续变形分析