ISSN 1000-0054
CN
11-2223/N
清华大学学报 (自然科学版)
J T singhua U niv (Sci& T ech),
2007 年 第 47 卷 第 2 期
2007, V ol.47, N o.2
26/34
268-271
非挥发性溶质溶液两相问题的格子
Bo ltzmann
方法
黄伟峰
1
, 刘秋生
1
, 李 勇
2
(1. 清华大学 航天航空学院, 北京 100084; 2. 清华大学 精密仪器与机械学系, 北京 100084)
收稿日期: 2005-03-10
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (50375079)
作者简介: 黄伟峰 (1978-), 男 ( 朝鲜 ), 吉林, 博士 研究 生 。
通讯联系人: 刘秋生, 教授, E -m ail: lqs-dem @ tsinghua.edu.cn
摘 要: 溶液的气液两相体系广泛存在于工程问题中。由于
其多组分和多相态以及组分之间相互作用的复杂性,用传统
数值方法进行研究较为困难。该文提出了一种适用于非挥发
性物质稀溶液的气液两相问题的格子
B o ltzm an n
方法。在
Shan
-
Chen
多组分格子
B o ltz m a n n
模型的基础上,引入溶质
与溶剂粒子间的作用力,建立了合理的作用力模型,完成了
对溶液气液两相体系的数值模拟。模拟出了溶质的非挥发性
以及表面非活性物质溶液的表面性质。表面吸附及表面张力
的计算结果与相应理论公式符合很好。
关键词: 两相流; 格子
Boltzm ann
方法; 非挥发性; 溶液;
表面吸附
中图分类号:O 359
+
.1 文献标识码:A
文章编号: 1000-0054(2007)02-0268-04
Lattice Boltzmann method for a two-
phase nonvolatile solution system
HUANG We ife ng
1
,
LIU Qius heng
1
,
LI Yo ng
2
(
1
.
School of A erospac e
,
Tsinghua University
,
Beijing 100084
,
China
;
2
.
Department of Prec i sion Instrum ents and M echa nology
,
Tsinghua University
,
Beijing 100084
,
China
)
Abstract
: T w o-phase solution system s occur in m an y engin eering
p rob le m s b ut th ey are diffic u lt to sim u la te w ith co n v en tional
num erical m ethods because of the com p lex ity caused by m ultiple
com ponents and phases. A lattice B oltzm ann m ethod w as develo p ed
for tw o-phase dilute solutions based on the Sh an -C h en
m ulti-com ponent m odel w ith an interparticle force betw een the
solventand the solute. Sim ulations show thatthe m ethod is effective
for tw o-phase nonvolatile s o lu tio n s . T h e m e th o d c a n a ls o s im u la te
th e surface tension and the surface adsorption of non-surface-active
solu tio n s. T h e nu m erical resu lts ag ree w ell w ith the co rrespondin g
relevan t theories.
Key words
: tw o-phase flow ; lattice B o ltzm an n m eth o d; n onvolatile;
solu tio n ; surface adsorption
在许多工程实际问题中,经常遇到非挥发性溶
质溶液的气液两相问题。溶液是由溶剂和溶质构成
的多组分系统。溶剂中加入溶质后,其气液界面的表
面张力等物理量发生改变,且在界面层中发生溶质
的相对浓集或贫化,即表面吸附现象。由于这类问题
涉及多种组分、多种相态之间复杂的相互作用,通过
传统流体力学数值方法对其进行数值模拟较为困
难。近年来得到迅速发展的格子B oltzm ann 方法,由
于其基于微观模型的特点,可以较为方便地实现相
态之间、组分之间的相互作用,是研究溶液两相问题
的理想数值工具。
格子 B oltzm ann 方法已经被用于研究溶液的相
关问题。
In a m u ro
等
[1 ]
及
He
等
[2 ]
使用格子
Boltzm ann 方法研究了溶质在溶液中的输运过程。
他们忽略了溶质对于溶剂流动的影响。这种处理方
法非常简捷,但不能研究溶质的存在及浓度的大小
对溶液的性质的影响,也不能研究气液两相共存状
态下的问题。1993 年, Shan 和 C hen 提出了一种基
于粒子间相互作用的多组分格子
B o ltzm an n
模
型
[3]
, 为处理多种组分、多种相态共存的流体问题
提供了一个良好的通用模型。基于这种模型的框架,
相应的单组分两相模型
[4 ]
、不互溶流体模型
[5]
等得
到了发展和广泛的应用。但是对于溶液的两相问题
而言,尤其当溶质为非挥发性物质时,溶质基本仅存
在于溶剂的液相中,只有极少量进入气相区域。现有
的格子
Boltzm ann
多组分模型无法很好地模拟出这
一性质。本文针对非挥发性的表面非活性物质的溶
液,在
Shan
-
Chen
工作的基础上,引入了适合于溶
液性质的粒子间相互作用模型,提出了一种适用于
这种溶液两相问题的格子
Boltzm ann
方法。运用此
方法,对于溶液的表面张力及溶液表面吸附现象进
行了数值研究,所得计算结果与相应理论结果符合
很好。