复杂多孔介质中固液相变的格子Boltzmann方法及模拟

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51376130
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    92.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0603.传热传质学
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

This project is aimed at constructing a set of complete and efficient lattice Boltzmann models and methods for the simulation of solid-liquid phase change, which can be used to realize the accurate simulation and rapid prediction of solid-liquid phase change problem in complicated porous media. The main work includes: (1) developing a lattice Boltzmann model with a multiple-relaxation-time (MRT) collision operator for the convection-diffusion equation, which can deduce the macroscopic convective-diffusion equation precisely without any deviation term by Chapman-Enskog analysis; (2) studying the efficient treatment of latent-heat source term to avoid the iteration procedure of enthalpy, which is further used to form the lattice Boltzmann model for the temperature field simulation; (3) exploring the realization method of no-slip velocity boundary condition at the solid-liquid phase interface with the mushy zone and moving feature, and further combining the lattice Boltzmann model for the athermal fluid flows with the above lattice Boltzmann model for the temperature field to constitute a complete lattice Boltzmann model for the solid-liquid phase change simulation; (4) studying the coupling method between the coarse grid and fine grid when both temperature field and velocity field are calculated by multi-grids to realize the adaptive mesh refinement simulation of the solid-liquid phase change, which can further increase the simulation accuracy and reduce the computation cost; (5) based on the lattice Boltzmann model and method developed above, the simulation research will be made on the solid-liquid phase change in the complicated porous media, and effects of the pore structure, porous frame, phase change core materials on the phase change characteristics will be analyzed. Simulation results can serve as theoretical principles for the design and development of porous phase change materials with high performance.
本项目旨在构建一套完整高效的用于固液相变模拟的格子Boltzmann模型和方法,实现复杂多孔介质中固液相变的精确模拟和快速预测。内容包括:构建对流扩散方程的多松弛时间格子Boltzmann模型,通过Chapman-Enskog分析可精确恢复对流扩散方程而不带偏差项;进一步研究潜热源项的高效处理方法,避免焓值迭代,以构建温度场模拟的LBM模型。在无热流动LBM模型基础上,探索具有糊状区域和移动界面特征的固液相界面处无滑移边界条件的实现方法,并结合温度场LBM模型,构建完整的固液相变模拟的格子Boltzmann模型。探索温度场、速度场同时采用局部网格加密时粗细网格间的数据耦合方法,实现固液相变模拟的自适应网格算法,以提高精度、减小计算量。基于上述构建的模型和方法,开展复杂多孔介质中固液相变的LBM模拟,探索孔隙结构、多孔载体、相变芯材的影响规律,为高性能多孔复合相变材料的研制开发提供理论依据。

结项摘要

固液相变具有广泛而重要的工程应用背景,传统CFD方法在处理复杂多孔介质固液相变问题时存在困难,而格子Boltzmann(LB)方法的介观物理背景使其处理该问题具独特优势。本项目采用理论分析与数值模拟相结合的方法,开展了固液相变LB模型和方法的研究,取得以下主要成果:(1)鉴于固液相变温度场控制方程的基本框架为对流扩散方程,对现有对流扩散方程LB模型进行研究,发现其偏差项产生的根本原因为恢复对流项对恢复扩散项的干扰;在此基础上,通过改进松弛矩阵并确定相应的平衡态矩函数,构建了全新的对流扩散方程多松弛时间LB模型,消除了现有模型中存在的偏差项。(2)提出将固液相变非线性潜热源项吸收到时变项中,进一步引入总焓分布函数并确定相应的平衡态分布函数,构建了全新的固液相变LB模型(即总焓LB模型),成功避免了焓值迭代计算和线性方程组求解,显著提高了计算效率。(3)提出了可精确实现糊状相界面处及固相内部速度无滑移条件的体积LB格式,避免了非物理虚假流动;通过引入参考比热容并改进平衡态分布函数,巧妙处理了相界面处变物性非稳态耦合传热;揭示了相界面处数值扩散形成机制并提出了消除手段。(4)从保证Chapman-Enskog展开方程网格无关性的介观新角度,直接在矩空间导出了粗细网格间完整的信息耦合方程;通过引入指示函数,设计了逐次加密多块网格的自适应生成策略,率先实现了固液相变的自适应网格加密LB模拟,兼顾了模拟精度和效率。(5)运用本项目构建的固液相变LB模型和方法,结合GPU高性能计算,开展了复杂多孔介质中固液相变的孔隙尺度模拟,揭示了多孔介质结构、导热系数、孔隙率和孔密度等对其相变传热特性的影响规律,为新型高效复合相变材料的设计开发提供理论和科学指导。项目迄今发表论文45篇,其中SCI论文20篇,EI论文23篇;培养毕业博士生2人、硕士生5人;项目负责人入选Elsevier中国高被引学者。

项目成果

期刊论文数量(27)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(16)
专利数量(0)
电场作用下液滴分裂动力学行为的格子Boltzmann模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    化工学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李超;吴慧英;黄荣宗
  • 通讯作者:
    黄荣宗
硅基内肋阵列微通道内的流动和换热特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    工程热物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    康宁;吴慧英;徐法尧
  • 通讯作者:
    徐法尧
Flow patterns during flow boiling instability in silicon-based pin-fin microchannels
硅基针翅微通道流动沸腾不稳定性期间的流动模式
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Heat Transfer-Transactions of the ASME
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xu Fayao;Wu Huiying;Liu Zhenyu
  • 通讯作者:
    Liu Zhenyu
一种计算泡沫金属等效热导率的新模型
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    化工学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    姚元鹏;刘振宇;吴慧英
  • 通讯作者:
    吴慧英
A thermal conductivity model of nanofluids based on particle size distribution analysis
基于粒度分布分析的纳米流体导热模型
  • DOI:
    10.1063/1.4894254
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Applied Physics Letters
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Zhou Dengqing;Wu Huiying
  • 通讯作者:
    Wu Huiying

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其他文献

微通道内滑移区气体-颗粒流动传热数值模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    工程热物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周俊;刘振宇;吴慧英
  • 通讯作者:
    吴慧英
多层打孔隔热材料热分析计算模型研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    热科学与技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘振宇;卫飞;房光强;吴慧英
  • 通讯作者:
    吴慧英
方肋微通道内流动沸腾的汽泡动态与传热特性分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    化工进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    申宇;潘振海;吴慧英
  • 通讯作者:
    吴慧英
多层打孔隔热材料热分析计算模型研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    热科学与技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘振宇;卫飞;房光强;吴慧英
  • 通讯作者:
    吴慧英
基于几何重建的气液两相流孔隙尺度模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    工程热物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘振宇;吴慧英
  • 通讯作者:
    吴慧英

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吴慧英的其他基金

宽禁带高功率器件集成近结射流微通道高效相变散热及全场强化新方法
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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