磁流体流动与传热特性的三维Lattice Boltzmann模拟开题报告.doc

学位论文选题报告及文献综述考核表2005年9月8日填选题的科学依据（1、课题所属研究领域；2、课题的理论意义和应用价值；3、国内外研究概况及发展趋势）1、课题所属研究领域该课题属功能流体流动与传热特性研究领域，课题来源于国家自然科学基金重点项目“功能流体流动与传热特性及其控制方法研究”No.50436020。2、课题的理论意义和应用价值磁流体是由纳米级的铁磁性或超顺磁性细微颗粒，借助于表面活性剂稳定地分散于载液而形成的胶体悬浮液。它兼有固体的强磁性和液体的流动性两种特性，是一种新型的液体功能材料。传统的两相流方法难以模拟像磁流体这样的小尺寸粒子与载液两相共存的复杂流体，而格子Boltzmann方法则为解决此类问题提供了一种工具。格子Boltzmann方法是以流体的分子运动论为基础，根据微观运动过程的某些特征建立简化的，介于宏观和微观之间的，在时间和空间上完全离散的动力学模型，其计算具有并行性、高效性，并且可以较方便地处理粒子间的相互作用。因此，在理论上格子Boltzmann方法是研究磁流体特性的较为适用的方法，可以通过建立适当的模型，从介观角度揭示、理解和模拟磁流体这种复杂流体的行为。目前，应用比较多的有二维的七点、九点和十三点格子Boltzmann模型，并得到了比较满意的结果。但是，用二维模型来模拟实际的三维问题还存在着某些不足和缺陷。在现实世界中真正表现出来的是一个三维的世界，而前面所提到的二维模型只是针对现实世界的一个简化，因此如何建立一个真正的三维格子Boltzmann模型对于我们解决在现实世界中的一些实际问题是非常重要的。3、国内外研究概况及发展趋势磁流体的研究首先由美国宇航局于60年代在阿波罗行动计划中用于宇航服的密封。60年代末，美国成立磁流体公司专门从事纳米磁性流体的研究和开发。70年代起，国内外对磁流体的研究和应用开发十分活跃。世界许多国家相继开展了磁流体的基础和应用性研究。80年代中叶，R.E.Rosensweig提出了铁磁流体的有关流体动力学方程和热力学方程。随着科技的不断发展，磁流体的应用领域不断拓展。近年来，人们对磁流体在外磁场下所表现出的特殊性进行了广泛的探索和研究；同时，磁流体的制备技术的研究和磁流体在密封方面的应用研究也十分活跃。近年来格子Boltzmann方法已成功地应用于流体热力学、多相流、多孔介质流动、磁流体动力学等领域。但用于描述磁流体流动、传热行为或流变特性的宏观模型还不够完善，而利用格子Boltzmann方法从介观尺度建立磁流体模型、对磁流体进行数值模拟方面的研究磁流体特性的工作更是少数，尚处于初步探索阶段。目前，应用比较多的有二维的七点、九点和十三点格子Boltzmann模型，并得到了比较满意的结果。但二维模型只是针对现实世界的一个简化，因此通过建立三维模型来解决实际问题是非常重要的。三维格子模型最早被Massaiolietal.用来通过高度地并行计算模拟Rayleigh-Benard湍流。YPeng等通过建立D3Q15以及D3Q19热格子模型来处理空腔中气体自然对流的热流问题。LoudingZhu等用latticeBoltzmann方法建立D3Q19模型来模拟三维亲水壁/斥水壁微通道内流体的流动。W.Q.Tao等建立三维latticeBoltzmann模型模拟了方腔微通道和多孔介质中气体的流动。华中科技大学建立了一种三维十五点格子Boltzmann模型，采用速度为2的粒子，计算换热器中的管排绕流问题，并与实验观察到的结果进行了定性的比较，得到了较好的结果。二、研究内容和方法：（1、选题的学术思想、特色和预期达到的成果和水平；2、研究内容要解决的问题；3、技术路线和技术措施；进度计划）1、选题的学术思想、特色和预期达到的成果和水平；磁流体兼有固体的强磁性和液体的流动性，使其具有磁化特性、流变特性等性能，因而可通过特定的外磁场来控制磁流体的某些流动或传热性能。并由于纳米级磁性粒子的小尺寸效应，磁流体在传热过程中有很好的强化传热作用。课题的选取基于两相流动力学格子Boltzmann方法基本理论，通过建立相应的流动模型，考虑磁流体中复杂的粒子间相互作用如：布朗运动、范德华引力、偶极作用等，来描述磁流体复杂的流动。而格子Boltzmann方法计算的高效性、高度并行性等优点可以使其更好更深入地服务于对磁流体流动的模拟。运用格子Boltzmann方法，考虑微观粒子间所受的相互作用以及与外加磁场间的对应关系，建立相应三维Boltzmann的流动模型。通过计算模拟在无外加磁场条件下宏观静止的磁流体结构，以及在各种外加磁场下磁流体结构及流动的宏观特性。2、研究内容要解决的问题；论文主要解决的两个问题：建立三维格子Boltzmann模型和磁流体中纳米磁性粒子的受力。3、技术路线和技术措施；进度计划粒子间的主要相互作用包括：布朗作用、VanderWaals相互作用、偶极-偶极相互作用、相间阻力等。粒子间相互作用的结果由各种作用势能的相对大小决定，占优势的作用的不同，磁流体表现出来的外在特性也不同。磁流体中的偶极-偶极相互作用与粒子磁矩有关，通过偶极子磁矩随外磁场的变化关系的研究，可以得到在不同磁场下，磁流体中粒子之间的相互磁力作用以及粒子磁矩的转动。关于两相流、纳米流体的流动模型已有一定的基础。将外磁场作用下粒子间偶极-偶极相互作用力及粒子所受的梯度场作用力加入到模型当中，使得其能更好地模拟磁流体的行为，其二维建模已有初步的研究。现实世界中，真正表现出来的是一个三维的世界，而二维模型只是针对现实世界的一个简化，二维模型来模拟实际的三维问题还存在着某些不足和缺陷。对这些模型进一步改进成三维模型来模拟磁流体的行为，是目前的主要任务。2004年9月2004年10月查阅文献，初步理论推导2004年11月2005年6月查阅文献，理论推导，建立模型，编制程序2005年7月2006年1月完善模型，数值模拟2006年2月2006年6月工作总结，整理资料，撰写毕业论文三、开题条件（1、学术条件；2设备条件；3、经费概算和落实情况）1、学术条件格子Boltzmann方法作为新兴的数值计算方法，在国内外引起了广泛的关注，已成功地应用于流体热力学、多相流、多孔介质流动、磁流体动力学等领域。而随着对格子Boltzmann方法研究的不断深入，运用它解决纳米流体、磁流体等复杂流体问题也取得一些进展和成果。南京理工大学热能工程教研室在运用格子Boltzmann方法模拟纳米流体及磁流体二维流动与传热方面已有一定研究及成果，并能解决本课题研究过程中资料复印等费用。本课题来源于国家自然科学基金重点项