浆料直写技术作为陶瓷材料成形新兴技术3D打印中的主要技术之一,可以实现对简单形状工件的快速成形。以单螺杆挤出机为出料结构,以SiO2陶瓷粉末为主要原材料,制备成形所需的混合浆体,利用流变仪进行流变实验,通过MATLAB进行拟合后获得浆体的流变方程,提出修正格子Boltzmann方法(LBM),对浆体在螺杆中流动进行数值模拟分析,结果表明提出的修正LBM可以有效模拟陶瓷浆体的流动。数值分析结果显示SiO2陶瓷浆体的流动主要集中在相邻螺棱的中部且在不同位置处的速度存在明显的差异。

提出将通用的插值补充格子Boltzmann方法(GILBM)应用于非均匀网格进行计算气动声学研究.通过顶盖驱动方腔流、低雷诺数圆柱绕流算例验证GILBM数值模拟方法的正确性.在此基础上,将该方法应用于高斯脉冲传播、周期性声源传播、二维圆柱绕流的气动噪声计算.研究结果表明,GILBM方法可以在非均匀网格上较好地模拟高斯脉冲及周期性声源声波的传播过程,计算结果与解析解较吻合.GILBM方法能够模拟非均匀贴体网格下的圆柱曲面边界由于涡脱落造成的气动噪声的产生和传播过程,可以较好地捕捉到近场及远场的声压传播.圆柱绕流声学特性呈现出偶极子现象,计算结果与参考文献较吻合,证明采用GILBM方法在非均匀网格中模拟声传播问题的正确性及求解气动声学问题的可行性.

采用格子Boltzmann方法对低雷诺数下气体绕流圆柱的规律进行了研究。对比计算了双圆柱在不同圆心距、不同Re数、不同来流速度与双圆柱圆心连线角度的情况下，各个圆柱的受力大小和曳力系数。结果表明，若Re数为20，改变圆柱间距，圆柱间距在1.2d和1.4d之间时，下游圆柱所受曳力有极小值；双圆柱间距为1.6d时，双圆柱受到总曳力最小；圆柱间距大于2d时，上游颗粒受到的曳力不再受到下游颗粒的影响。若圆柱间距为1.2d，改变雷诺数，Re数在30和40之间，下游圆柱所受曳力有极小值。另外，来流速度角度对圆柱的受力影响很大。上述规律为低Re数下圆柱绕流的深入研究与应用打下基础。

为了设计更高效、高机动性的扑翼飞行器,需要对扑翼运动机理进行细致的动力学研究。其中,迎角是影响扑翼运动气动性能的关键因素。本文结合格子Boltzmann法与Level-Set动边界识别法,建立了含有动边界的流场模拟方法,并采用GPU加速,数值研究了迎角对扑翼运动气动性能的影响。结果表明增大迎角,扑翼运动的升阻比呈现先增大后减小的趋势,当迎角θ=10°时,能够获得最佳气动性能。θ=0°~40°范围内,随着迎角的增大,扑翼翼尖处的上下翼面压差比翼根、翼中处大,在翼尖处提供了更大的升力。随着迎角的增大,扑翼的前缘涡附着于翼面的面积明显增大,扑翼后方脱落的涡旋也较难耗散,提高了扑翼的升力;同时,翼尖涡的强度和影响范围变大,增加了扑翼的阻力。

研究了基于格子Boltzmann方法(LBM)的液力变矩器导轮内流场数值计算理论与方法.首先,提出了LBM中处理旋转周期性边界条件的方法.然后,分析了LBM中各项参数对于计算稳定性以及计算效率之间的影响.为了保证粒子迁移与碰撞计算的稳定进行,必须合理选定弛豫时间τ,从而避免在计算过程中平衡态分布函数feq出现负值的情形.此外,在LBM中运用大涡模拟(LES)可以降低计算稳定性对于弛豫时间τ选取的限制,在一定程度上提高计算效率.最后,在开源代码Palabos的基础上进行功能拓展,实现导轮内流场的仿真计算,得到了导轮尾迹区域瞬时非定常流动分布特征.结果表明,LBM与传统计算流体力学(CFD)方法相比,液流对导轮作用力的计算结果在数值上较为接近.然而,使用LBM可以获得详细流场形成过程的时间历程以及局部复杂的流动细节.

在生活中高雷诺数的钝体绕流现象普遍存在,但准确计算其流场特性却并不容易。针对这一问题采用多松弛时间格子Boltzmann方法（LBM）与壁面自适应局部涡黏（WALE）模型相结合的方法（MRT-LBM-WALE）,对定常流下雷诺数90 000的二维圆柱绕流进行数值模拟,同时应用增强壁面函数对壁面附近湍流黏性进行修正,测算了其阻力系数、升力系数、涡脱落频率和表压。计算结果与已有实验比较表明,阻力系数、升力系数以及涡街的脱落频率均跟实验值吻合较好,同时在涡街捕捉上也表现出较高的稳定性和精度。

本文提出了一个模拟二维肺部气道呼吸作用的格子Boltzmann模型。为了模拟呼吸作用的动态过程，我们使用了具有分形结构的气管树型流动通道。数值结果表明，该结构具有呼吸现象。

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。

组合浸入边界和格子Boltzmann方法(IB-LBM)实现对复杂动边界问题的数值模拟。通过格子Boltzmann方法快速计算流场分布(采用D2Q9离散速度模型),通过隐式直接力浸入边界法处理流场边界问题。借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,在时间上推进求解基于浸入边界法的耦合系统方程,从而实现对复杂动边界流动问题快速有效的求解。以雷诺数为100的圆柱绕流为基准算例,分别计算圆柱在不同旋转角速度下的升、阻力曲线和流场分布特性,并与其他文献的计算结果对比,验证了IB-LBM计算动边界流动问题的有效性。