磁流體流動與傳熱特性的三維Lattice Boltzmann模擬開題報告.doc

學(xué)位論文選題報告及文獻綜述考核表2005年9月8日填選題的科學(xué)依據(jù)（1、課題所屬研究領(lǐng)域；2、課題的理論意義和應(yīng)用價值；3、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢）1、課題所屬研究領(lǐng)域該課題屬功能流體流動與傳熱特性研究領(lǐng)域，課題來源于國家自然科學(xué)基金重點項目“功能流體流動與傳熱特性及其控制方法研究”No.50436020。2、課題的理論意義和應(yīng)用價值磁流體是由納米級的鐵磁性或超順磁性細微顆粒，借助于表面活性劑穩(wěn)定地分散于載液而形成的膠體懸浮液。它兼有固體的強磁性和液體的流動性兩種特性，是一種新型的液體功能材料。傳統(tǒng)的兩相流方法難以模擬像磁流體這樣的小尺寸粒子與載液兩相共存的復(fù)雜流體，而格子Boltzmann方法則為解決此類問題提供了一種工具。格子Boltzmann方法是以流體的分子運動論為基礎(chǔ)，根據(jù)微觀運動過程的某些特征建立簡化的，介于宏觀和微觀之間的，在時間和空間上完全離散的動力學(xué)模型，其計算具有并行性、高效性，并且可以較方便地處理粒子間的相互作用。因此，在理論上格子Boltzmann方法是研究磁流體特性的較為適用的方法，可以通過建立適當?shù)哪Ｐ?，從介觀角度揭示、理解和模擬磁流體這種復(fù)雜流體的行為。目前，應(yīng)用比較多的有二維的七點、九點和十三點格子Boltzmann模型，并得到了比較滿意的結(jié)果。但是，用二維模型來模擬實際的三維問題還存在著某些不足和缺陷。在現(xiàn)實世界中真正表現(xiàn)出來的是一個三維的世界，而前面所提到的二維模型只是針對現(xiàn)實世界的一個簡化，因此如何建立一個真正的三維格子Boltzmann模型對于我們解決在現(xiàn)實世界中的一些實際問題是非常重要的。3、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢磁流體的研究首先由美國宇航局于60年代在阿波羅行動計劃中用于宇航服的密封。60年代末，美國成立磁流體公司專門從事納米磁性流體的研究和開發(fā)。70年代起，國內(nèi)外對磁流體的研究和應(yīng)用開發(fā)十分活躍。世界許多國家相繼開展了磁流體的基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究。80年代中葉，R.E.Rosensweig提出了鐵磁流體的有關(guān)流體動力學(xué)方程和熱力學(xué)方程。隨著科技的不斷發(fā)展，磁流體的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。近年來，人們對磁流體在外磁場下所表現(xiàn)出的特殊性進行了廣泛的探索和研究；同時，磁流體的制備技術(shù)的研究和磁流體在密封方面的應(yīng)用研究也十分活躍。近年來格子Boltzmann方法已成功地應(yīng)用于流體熱力學(xué)、多相流、多孔介質(zhì)流動、磁流體動力學(xué)等領(lǐng)域。但用于描述磁流體流動、傳熱行為或流變特性的宏觀模型還不夠完善，而利用格子Boltzmann方法從介觀尺度建立磁流體模型、對磁流體進行數(shù)值模擬方面的研究磁流體特性的工作更是少數(shù)，尚處于初步探索階段。目前，應(yīng)用比較多的有二維的七點、九點和十三點格子Boltzmann模型，并得到了比較滿意的結(jié)果。但二維模型只是針對現(xiàn)實世界的一個簡化，因此通過建立三維模型來解決實際問題是非常重要的。三維格子模型最早被Massaiolietal.用來通過高度地并行計算模擬Rayleigh-Benard湍流。YPeng等通過建立D3Q15以及D3Q19熱格子模型來處理空腔中氣體自然對流的熱流問題。LoudingZhu等用latticeBoltzmann方法建立D3Q19模型來模擬三維親水壁/斥水壁微通道內(nèi)流體的流動。W.Q.Tao等建立三維latticeBoltzmann模型模擬了方腔微通道和多孔介質(zhì)中氣體的流動。華中科技大學(xué)建立了一種三維十五點格子Boltzmann模型，采用速度為2的粒子，計算換熱器中的管排繞流問題，并與實驗觀察到的結(jié)果進行了定性的比較，得到了較好的結(jié)果。二、研究內(nèi)容和方法：（1、選題的學(xué)術(shù)思想、特色和預(yù)期達到的成果和水平；2、研究內(nèi)容要解決的問題；3、技術(shù)路線和技術(shù)措施；進度計劃）1、選題的學(xué)術(shù)思想、特色和預(yù)期達到的成果和水平；磁流體兼有固體的強磁性和液體的流動性，使其具有磁化特性、流變特性等性能，因而可通過特定的外磁場來控制磁流體的某些流動或傳熱性能。并由于納米級磁性粒子的小尺寸效應(yīng)，磁流體在傳熱過程中有很好的強化傳熱作用。課題的選取基于兩相流動力學(xué)格子Boltzmann方法基本理論，通過建立相應(yīng)的流動模型，考慮磁流體中復(fù)雜的粒子間相互作用如：布朗運動、范德華引力、偶極作用等，來描述磁流體復(fù)雜的流動。而格子Boltzmann方法計算的高效性、高度并行性等優(yōu)點可以使其更好更深入地服務(wù)于對磁流體流動的模擬。運用格子Boltzmann方法，考慮微觀粒子間所受的相互作用以及與外加磁場間的對應(yīng)關(guān)系，建立相應(yīng)三維Boltzmann的流動模型。通過計算模擬在無外加磁場條件下宏觀靜止的磁流體結(jié)構(gòu)，以及在各種外加磁場下磁流體結(jié)構(gòu)及流動的宏觀特性。2、研究內(nèi)容要解決的問題；論文主要解決的兩個問題：建立三維格子Boltzmann模型和磁流體中納米磁性粒子的受力。3、技術(shù)路線和技術(shù)措施；進度計劃粒子間的主要相互作用包括：布朗作用、VanderWaals相互作用、偶極-偶極相互作用、相間阻力等。粒子間相互作用的結(jié)果由各種作用勢能的相對大小決定，占優(yōu)勢的作用的不同，磁流體表現(xiàn)出來的外在特性也不同。磁流體中的偶極-偶極相互作用與粒子磁矩有關(guān)，通過偶極子磁矩隨外磁場的變化關(guān)系的研究，可以得到在不同磁場下，磁流體中粒子之間的相互磁力作用以及粒子磁矩的轉(zhuǎn)動。關(guān)于兩相流、納米流體的流動模型已有一定的基礎(chǔ)。將外磁場作用下粒子間偶極-偶極相互作用力及粒子所受的梯度場作用力加入到模型當中，使得其能更好地模擬磁流體的行為，其二維建模已有初步的研究?，F(xiàn)實世界中，真正表現(xiàn)出來的是一個三維的世界，而二維模型只是針對現(xiàn)實世界的一個簡化，二維模型來模擬實際的三維問題還存在著某些不足和缺陷。對這些模型進一步改進成三維模型來模擬磁流體的行為，是目前的主要任務(wù)。2004年9月2004年10月查閱文獻，初步理論推導(dǎo)2004年11月2005年6月查閱文獻，理論推導(dǎo)，建立模型，編制程序2005年7月2006年1月完善模型，數(shù)值模擬2006年2月2006年6月工作總結(jié)，整理資料，撰寫畢業(yè)論文三、開題條件（1、學(xué)術(shù)條件；2設(shè)備條件；3、經(jīng)費概算和落實情況）1、學(xué)術(shù)條件格子Boltzmann方法作為新興的數(shù)值計算方法，在國內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注，已成功地應(yīng)用于流體熱力學(xué)、多相流、多孔介質(zhì)流動、磁流體動力學(xué)等領(lǐng)域。而隨著對格子Boltzmann方法研究的不斷深入，運用它解決納米流體、磁流體等復(fù)雜流體問題也取得一些進展和成果。南京理工大學(xué)熱能工程教研室在運用格子Boltzmann方法模擬納米流體及磁流體二維流動與傳熱方面已有一定研究及成果，并能解決本課題研究過程中資料復(fù)印等費用。本課題來源于國家自然科學(xué)基金重點項