含淹没刚性植被水流特性实测及格子Boltzmann方法数值模拟研究
Field Measurement on the Characteristics of Flows with Submerged Rigid Vegetation and Numerical Simulation of Lattice Boltzmann Method
格子Boltzmann方法(LBM)是近三十年发展起来的基于流体建模的介观模拟方法.与计算流体力学中的其他方法相比,具有适用于并行计算和边界易于处理.现在LBM已经广泛地应用于多孔介质内流动与传质、多相多组分、界面动力学、化学反应与传递等领域,同时格子Boltzmann方法在磁流体、晶体生成、相变过程等方面也具备非常大的潜在应用前景.含植被水流特性一直是人们热切关注和研究的问题,改变整个生态系统以及影响人类生活,所以研究含植被水流流动问题,了解水流流速等变化规律变得极其重要.本文主要工作是运用格子Boltzmann方法对含淹没刚性植被水流问题进行数值模拟.首先在三维粒子速度D3Q19模型中加入外力项,采用启发式格式对流体模型的复杂边界条件和角点进行处理.其次所建立模型对经典数值模拟案例方腔流进行模拟,通过选取不同的雷诺数以及采用单松弛与多松弛格式进行对比分析,从而验证了模型的可行性.然后为了与模拟结果的定性规律进行对比,本文做了关于含淹没刚性植被水流的试验,用三维激光多普勒测速仪对水位、流速等进行了测量,通过分析实验结果,总结了一系列规律.最后,用多松弛格式D3Q19模型对含一个、一排和多排植被的水流实验进行模拟,其中多排植被水流模拟的模拟工况与实验工况相同,均为植被全覆盖平行排列、全覆盖交错排列、中间无植被平行排列和中间无植被交错排列四个工况,每个工况选取了四种水深淹没度.模拟结果在定性规律上与实测结论基本吻合.本文通过一系列工作,较好地利用D3Q19模型对含植被水流进行模拟,模拟结果贴切地展示了植被附近的水流状态,从而为河道水流管理和水流生态系统修复等问题提供了强有力的理论依据.
- 作者：
- 宋滢汀
- 学位授予单位：
- 北方民族大学
- 专业名称：
- 计算数学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2019年
- 导师姓名：
- 景何仿
- 中图分类号：
- O35
- 关键词：
- 格子Boltzmann方法；D3Q19模型；刚性植被；水流流速；数值模拟
- Lattice Boltzmann method; D3Q19 model; Rigid vegetation; Flow velocity; Numerical simulation;