流體流動(dòng)的格子Boltzmann模擬及實(shí)時(shí)可視化.pdf

1、論文探討復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬與可視化。研究工作側(cè)重于復(fù)雜流動(dòng)與復(fù)雜地形兩個(gè)領(lǐng)域。 流體與人類社會(huì)密切相關(guān)。論文對(duì)流體的研究包括流體流動(dòng)的計(jì)算模擬和計(jì)算結(jié)果的可視化。格子Boltzmann方法(LB方法)是一類新型的借助于簡單的微觀模型來模擬輸運(yùn)現(xiàn)象的宏觀行為的介觀方法。這類方法因其簡易性、局部性和良好的并行性已成為模擬復(fù)雜流體流動(dòng)現(xiàn)象的有力工具。論文基于數(shù)學(xué)演化思想，對(duì)流體流動(dòng)的LB方法及其模擬結(jié)果的實(shí)時(shí)可視化，在理論、算法、實(shí)

2、現(xiàn)及應(yīng)用上作了較為深入、系統(tǒng)的研究。 討論了LB方法的一些研究結(jié)果，包括無壓縮效應(yīng)的不可壓LB模型和關(guān)于Boussinesq流的結(jié)構(gòu)簡單、靈活的熱LB模型以及邊界處理方案。利用所提出的方法對(duì)頂蓋驅(qū)動(dòng)空腔流進(jìn)行了模擬，Reynolds數(shù)達(dá)到；對(duì)由內(nèi)熱引起的方腔內(nèi)的自然對(duì)流進(jìn)行了模擬，Rayleigh數(shù)達(dá)到。數(shù)值模擬的效果令人滿意。 提出了一種求解不可壓Navier-Stokes方程的統(tǒng)一的格子BGK (ILBGK)模型。為

3、驗(yàn)證這一模型的有效性，使用大小為的均勻網(wǎng)格，對(duì)Reynolds數(shù)和展寬比的三維空腔流進(jìn)行了詳細(xì)模擬。模擬結(jié)果與先前的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相一致，表明所提出的LBGK模型的有效性和較好的數(shù)值穩(wěn)定性。 提出了一種統(tǒng)一的用于求解Boussinesq不可壓流體的熱格子BGK模型。在這一模型中，速度和溫度場由在整個(gè)系統(tǒng)中相耦合的二個(gè)獨(dú)立的LBGK方程求解。對(duì)具有不同加熱垂直壁的封閉長方體區(qū)域的三維自然對(duì)流，在Rayleigh數(shù)為 ~ ，Pr

4、andtl數(shù)為和時(shí)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬取得了預(yù)期的結(jié)果。 針對(duì)LB方法局部演化計(jì)算的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有實(shí)時(shí)顯示計(jì)算結(jié)果的可視化軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)支持在LB方法演化計(jì)算過程中各種標(biāo)量和矢量場計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示、一些關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的跟蹤顯示、實(shí)時(shí)交互修改計(jì)算參數(shù)、計(jì)算結(jié)果的保存和連續(xù)的動(dòng)畫回放以及支持二維和三維計(jì)算結(jié)果的顯示等功能。這一系統(tǒng)為LB方法的理論研究和實(shí)際應(yīng)用提供了方便和高效的研究平臺(tái)，在流場計(jì)算和可視化軟件設(shè)計(jì)思

5、想上有獨(dú)創(chuàng)性。 數(shù)字地球是可視化技術(shù)的另一重要研究領(lǐng)域，其應(yīng)用日益廣泛。地形信息的數(shù)字化是構(gòu)建數(shù)字地球的基礎(chǔ)性工作，論文對(duì)多山地區(qū)、復(fù)雜地形的掃描等高線的矢量化這一難題在算法、軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用上進(jìn)行了一系列研究。 對(duì)復(fù)雜掃描地形圖上等高線的自動(dòng)識(shí)別與矢量化技術(shù)，提出了一系列快速算法，在此基礎(chǔ)上給出了基于所識(shí)別矢量線的通過等高線中心點(diǎn)的精確細(xì)化算法；提出了非等高線要素的自動(dòng)清除、斷線矢量自動(dòng)連接、等高線自動(dòng)插值及數(shù)字要素識(shí)別