【流体力学】基于Shan-Chen格子玻尔兹曼模型模拟气液两相流附Matlab代码

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🔥 内容介绍

气液两相流广泛存在于自然界与工业过程中 —— 从云层中的水滴形成到石油管道中的油气混输，从蒸汽机的冷凝过程到喷墨打印的液滴喷射，其流动特性直接影响能源转换效率、工业生产安全与环境演化规律。传统计算流体力学（CFD）方法基于连续介质假设，难以精准捕捉气液界面的微观动力学行为（如表面张力驱动的液滴融合、气泡破裂）。而Shan-Chen 格子玻尔兹曼模型（Shan-Chen LBM） 凭借微观粒子相互作用的建模优势，成为揭示气液两相流界面演化机制的强大工具，为复杂相变与多相流动问题提供了全新的数值模拟框架。

一、气液两相流的核心挑战：界面动力学与相变行为

气液两相流的复杂性源于气相、液相及其界面的耦合作用，其核心特征包括界面张力、相变传热与多尺度流动的相互交织，给数值模拟带来多重挑战。

（一）气液界面的独特性质

气液界面是两相流的核心区域，其厚度通常在纳米至微米量级，却主导着动量、质量与能量的传递：

1. 表面张力：界面处分子间作用力的不平衡导致表面张力，使界面趋于收缩至最小面积（如液滴的球形形态）。表面张力系数随温度、组分变化，直接影响界面的稳定性（如高表面张力易形成稳定液滴，低表面张力可能导致界面破碎）。

1. 界面扩散：气液分子可通过界面相互扩散（如水面的蒸发过程），伴随相变潜热的吸收或释放，形成温度梯度驱动的流动。

1. 动态演化：在外部扰动（如剪切力、重力）作用下，界面会发生变形、融合（如两个液滴碰撞后合并）、分裂（如高速气流撕裂液膜形成雾滴）等动态过程，其瞬态行为难以用连续介质模型精确描述。

例如，在微通道内的气液两相流中，表面张力与通道壁面润湿性的耦合作用会导致 “弹状流”“环状流” 等复杂流型，传统 CFD 方法因网格分辨率限制，往往无法准确预测流型转换临界条件。

（二）传统模拟方法的局限性

针对气液两相流的数值模拟，传统方法存在明显短板：

• VOF（Volume of Fluid）方法：通过追踪界面体积分数描述两相分布，但对表面张力的处理依赖经验模型（如连续表面力模型），在界面曲率剧烈变化时易产生数值扩散。

• Level Set 方法：用距离函数表示界面位置，虽能保持界面光滑，但难以守恒质量，且在多相融合时需特殊处理。

• 分子动力学（MD）：能精确模拟分子尺度的相变行为，但计算量随粒子数呈三次方增长，仅适用于纳米尺度的小系统（如包含 10⁶个分子的液滴），无法扩展至工业级宏观流动。

相比之下，Shan-Chen LBM 通过介观粒子的相互作用间接建模宏观相分离，既能捕捉界面张力、相变等微观机制，又能通过统计平均得到宏观流动参数，在计算效率与物理精度间取得平衡。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

forcys=0.0;

for k=1:8

newx=1+mod(i-1+cx(k)+nx,nx);

newy=1+mod(j-1+cy(k)+ny,ny);

psi=1-exp(-rho(newx,newy));

forcxs=forcxs-G*w(k)*psi*cx(k);

forcys=forcys-G*w(k)*psi*cy(k);

end

forcx(i,j)=(1-exp(-rho(i,j)))*forcxs;

forcy(i,j)=(1-exp(-rho(i,j)))*forcys;

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