ABSTRACT

In this paper, the lattice Boltzmann method is used to simulate the Karman vortex in the two-di- mensional pipe with baffle. The parallel scheme is used to obtain the vorticity contours in the case of different Reynolds numbers at different time steps. The calculated results reproduce the existing numerical results rather well.

Keywords:Lattice Boltzmann Method, Parallel Computing, Two-Dimensional Baffle Flow, Karman Vortex Street

具有挡板的管流中Karman涡街的并行格子Boltzmann模拟

张建影¹，闫广武²

¹长春工业大学基础科学学院，吉林 长春

²吉林大学数学学院，吉林 长春

收稿日期：2017年5月23日；录用日期：2017年6月9日；发布日期：2017年6月12日

摘 要

本文应用格子Boltzmann方法对具有挡板二维管道中的Karman涡街进行了数值模拟，采用并行计算模式得到了在不同雷诺数不同时间步的情况下的涡线图，计算结果较好地再现了已有的数值结果。

关键词 :格子Boltzmann方法，并行计算，二维平板绕流，Karman涡街

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1. 引言

上个世纪90年代出现的格子Boltzmann方法(LBM)已经成为模拟许多复杂流动问题的有效工具 [1] - [6] 。LBM已经广泛应用于多相流 [6] 、多组分流 [7] 、多孔介质流 [8] 、悬浮流 [9] 等复杂问题。此外LBM可以用于求解诸如Burgers方程，KdV方程，Schrödinger方程，Ginzburg-Landau方程等线性和非线性偏微分物理方程 [10] - [15] 。通常的模拟计算一般使用个人计算机，工作站就可以胜任，然而我们注意到那些流动区域较大，或者需要精细流动的计算问题，计算网格数量的要求已经超出计算机的能力。在本文中采用了一种简单的并行计算模式，用格子Boltzmann方法模拟具有挡板管道的Karman涡街问题 [16] [20] [21] ，给出了这一流动的详细计算结果。

2. 格子Boltzmann算法

在标准的二维网格空间中，粒子的速度离散取决于每一个节点与相邻节点相连的方式，当一个节点与周围个节点相邻时，该点的速度将被离散为()个速度，其中一个是静止的零速度。

本文中，我们应用D2Q9网格。在正方形网格中心的每一个结点处粒子有9个速度方向，速度大小共有三种，分别为：、和0，速度为的粒子沿水平或者竖直方向运动，速度为的粒子沿对角线方向运动，速度为0的是静止粒子。粒子速度为：

(1)

函数是时刻为，位置为处，方向为的粒子的分布函数，为系统达到平衡时的分布函数。流场的宏观物理量：格点处粒子的密度，粒子的速度。宏观物理量定义为：

(2)

(3)

我们要求系统达到平衡态时，平衡态分布函数与非平衡态分布函数有如下关系：

(4)

(5)

平衡态分布函数的公式为 [2] ：

(6)

其中称为权重，为声速，这里取声速。

格子Boltzmann方程为：

(7)

式中为松弛因子，取值范围为，与粘性系数满足关系式 [17] ：

(8)

3. 具有挡板管道的并行格子Boltzmann模拟

首先我们用格子铺满整个流场(二维直管道)，取水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。格子X方向m = 512, Y方向n = 128。为了采用Message Passing Interface (MPI)并行技术，我们将计算区域分解成若干子块，每子块X方向m = 128, Y方向n = 128，一共4块。在计算中，这些子块同时计算，每块数据需要调用5部分，分别为左右两列以及该块的内部区域 [18] 。子块如图1所示。

以第一块为例，需要调用数据为，列，，，，和块。时刻完成数据的计算。之所以采用双边界，是由于子块对接要求，就是说在计算第一子块时，是边界，但是在计算第二子块时为内部，此时边界为。

入口采用均匀速度，壁面处采用半步长完全反射的边界条件，出口采用Neumann边界条

件，密度，时间步长为，驰豫时间由给定雷诺数Re与粘性和驰豫时间的关

系确定 [17] [21] 。长度为36个网格的挡板放置上，即从位置(128, 46)到(128, 82)。

图2所示是Re = 256时，时间步分别为(a) t = 4000, (b) t = 6000, (c) t = 8000, (d) t = 10,000时涡线图。图3为Re = 512时，时间步分别为(a) t = 4000, (b) t = 6000, (c) t = 8000, (d) t = 10,000时涡线图。图4所示是Re = 1024时，时间步分别为(a) t = 4000, (b) t = 6000, (c) t = 8000, (d) t = 10,000时涡线图。从图2~图4看出，当雷诺数进一步增大，随着时间步的增大，挡板绕流已经趋于不定常流动，挡板后面出现一系列的涡旋，即Karman涡街(Karman vortex street)。这些结果再现了已有的数值结果 [16] [19] [21] 。

我们还模拟了两个挡板的情况，设两个挡板距离为128个网格距离。图5是Re = 256时，时间分别为(a) t = 4000, (b) t = 6000, (c) t = 8000, (d) t = 10,000涡线图，图6是Re = 512时，时间分别为(a) t = 4000, (b) t = 6000, (c) t = 8000, (d) t = 10,000涡线图，图7是Re = 1024时，时间分别为(a) t = 4000, (b) t = 6000, (c)

图1. 二维直管道计算区域子块划分

图2. Re = 256时涡量等值线

图3. Re = 512时涡量等值线

图4. Re = 1024时涡量等值线

图5. 两个挡板，Re = 256时的涡量等值线

图6. 两个挡板，Re = 512时的涡量等值线

图7. 两个挡板，Re = 1024时的涡量等值线

t = 8000, (d) t = 10,000涡线图。可以看出当Re数比较大时将在挡板之间出现Karman涡街。这个结果再现了文献 [21] 中的数值结果。我们发现随着Re数的增大，在流动区域内将出现更多的涡旋，使得涡旋变得拥挤，究其原因是因为流动发生在管内所致。

利用现有的个人计算机，通过使用本文提出的并行计算模式可以增加计算网格数量，从而进一步得到大尺度流场详细的流动细节。

4. 结论

综上，本文应用格子Boltzmann模型模拟了二维平板绕流，给出不同雷诺数下不同时间的涡线图。通过这些图我们可以看出在一定的雷诺数范围内挡板后会形成一系列涡即卡门涡街。而且在同时存在两个挡板的情况下，只要达到适当的Re数就依然会形成Karman涡街。这些结果很好地再现了经典的数值和实验结果。应用LBM对上述不同Re数的数值模拟均得到了较好的结果，显示了此方法的有效性。依然有很多问题需要注意，例如精细的三维流动的模拟是需要完成的，有效地利用MPI平台和分块并行算法是可以得到相当一部分值得期待的结果的，当然我们更期待于计算机速度的提高和算法的改进。

致 谢

国家自然科学基金(No. 11602033, No. 11272133)资助。

文章引用

张建影,闫广武. 具有挡板的管流中Karman涡街的并行格子Boltzmann模拟
Parallel Lattice Boltzmann Simulation of Karman Vortex in Pipe Flow with Baffle[J]. 流体动力学, 2017, 05(02): 69-75. http://dx.doi.org/10.12677/IJFD.2017.52008

参考文献 (References)