宾汉姆流体的LBM

宾汉姆流体的LBM-DEM方法及自密实混凝土复杂流动研究堆石混凝土的浇筑过程主要是自密实混凝土在堆石孔隙中的流动填充过程， 本质上是宾汉姆（Bingham）两相流在多孔介质中运动的过程。本论文建立了耦 合的格子Boltzmann-颗粒离散元方法（简称LBM-DEM），并将其应用于自密实混 凝土在多孔介质中的流动研究。LBM作为一种新兴的计算流体力学方法，在处理复杂边界条件、计算简单稳 定、易于并行等方面有着传统数值方法无法比拟的优势。而DEM在模拟固体颗粒 的摩擦、碰撞、堵塞和迁移等方面物理概念清晰，在岩土力学和颗粒流等领域也 得到了广泛的应用。因此，充分吸收了上述两种方法特点的LBM-DEM的耦合框架在处理多相流的 复杂流动方面有着明显的优势。Bingham流体是一种典型的非牛顿流体，因此需 要对常用于牛顿流体的线性LBM方法进行修正。本文采用了 Papanastasiou提出的改进指数模型，并使用了多松弛时间的 LBM （简称MRT-LBM）对Bingham流体进行数值模拟和研究。在保持计算稳定性 的同时，MRT-LBM很好地模拟了非屈服区，并捕捉到了死区的存在。另外，通过对Bingham流体中的圆形颗粒曳力系数进行研究发现，曳力系数 CD不仅和雷诺数Re有关，还与宾汉姆数Bn有关，因此，本论文根据理论推导 和数值计算结果，给出了 Bingham流体中统一的曳力系数公式。本论文在上述工 作的基础上建立了 Bingham两相流的LBM-DEM耦合框架，并将其应用于Bingham 两相流在二维单孔道和多孔道中的堵塞问题研究。在单孔道流动中，利用通过系数定量地研究了孔径比、颗粒固含率和压力梯 度对Bingham两相流堵塞的影响，发现二维条件下堵塞的临界孔径比为2，且孔径比是影响堵塞最关键的因素。随着颗粒固含率的增加，堵塞的风险会有所增加， 而压力梯度对于两相流的堵塞没有影响。多孔道的研究发现，Bingham两相流的流动是自调整的，而且窄通道数（孔 径比小于2）的增加会显著增加堵塞的风险。最后，本论文实现了三维条件下 Bingham两相流的LBM-DEM方法的应用。利用该方法，不仅得到多孔介质内部丰富的流动信息，还有效地模拟出两相 流中的颗粒运动、堵塞等现象。三维定性的研究结果表明：LBM-DEM耦合方法是 一种研究自密实混凝土在堆石孔隙中的流动、堵塞等细观力学过程的有效数值方 法。