[論文レビュー] Lattice Boltzmann methods for single-phase and solid-liquid phase-change heat transfer in porous media: A review

Yaling He, Qing Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Lattice Boltzmann Simulation Studies被引用数 9

ひとこと要約

本レビューでは、微小スケールおよび代表的要素体積（REV）スケールにおける多孔質媒体内の単相および固体-液体相変化熱伝達をシミュレートするための格子ボルツマン（LB）法について述べる。LB法の運動論的基礎と複雑な境界を扱える能力を活かし、一時的界面動態や有効熱伝導率の正確なモデル化が可能となり、多相およびマルチスケール熱伝達問題に対する堅牢な数値ツールを提供する。

ABSTRACT

Since its introduction 30 years ago, the lattice Boltzmann (LB) method has achieved great success in simulating fluid flows and modeling physics in fluids. Owing to its kinetic nature, the LB method has the capability to incorporate the essential microscopic or mesoscopic physics, and it is particularly successful in modeling transport phenomena involving complex boundaries and interfacial dynamics. The LB method can be considered to be an efficient numerical tool for fluid flow and heat transfer in porous media. Moreover, since the LB method is inherently transient, it is especially useful for investigating transient solid-liquid phase-change processes wherein the interfacial behaviors are very important. In this article, a comprehensive review of the LB methods for single-phase and solid-liquid phase-change heat transfer in porous media at both the pore scale and representative elementary volume (REV) scale. The review first introduces the fundamentals of the LB method for fluid flow and heat transfer. Then the REV-scale LB method for fluid flow and single-phase heat transfer in porous media, and the LB method for solid-liquid phase-change heat transfer, are described. Some applications of the LB methods for single-phase and solid-liquid phase-change heat transfer in porous media are provided. In addition, applications of the LB method to predict effective thermal conductivity of porous materials are also provided. Finally, further developments of the LB method in the related areas are discussed.

研究の動機と目的

• 多孔質媒体内の流れおよび熱伝達に適用可能な格子ボルツマン（LB）法の包括的レビューを提供すること。
• 単相および固体-液体相変化プロセスにおいて、微小スケールおよびREVスケールでのLB法の応用を検討すること。
• 相変化過程における複雑な界面動態および一時的挙動を捉えるLB法の能力を分析すること。
• 多孔質材料における有効熱伝導率を予測するためのLB法の使用を評価すること。
• 多孔質媒体における高度な熱伝達応用に向けたLB法の拡張に向けた主な課題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• 本レビューは、運動論に基づく基礎的なLB形式を、流体の流れと熱伝達の両面から統合的に要約する。
• 有効媒質近似を用いて、多孔質媒体における単相流れおよび熱伝達のREVスケールでのLB法の応用を詳細に記述する。
• エンタルピーに基づく手法を導入し、分布関数を用いて相界面の進化を追跡することで、固体-液体相変化をモデル化する。
• 適切な境界条件および緩和パラメータを組み込むことで、LBスキームを複雑な幾何形状および移動界面に対応させる。
• 定常状態条件下でのLBシミュレーションを用いて有効熱伝導率を予測し、その結果を解析的および経験的モデルと比較する。
• ベンチマークケースによる検証と代表的な多孔質構造への応用を通じて、精度と効率を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な境界を持つ多孔質媒体において、格子ボルツマン法はどのように一時的熱伝達および相変化を正確にシミュレートできるか？
• RQ2 微小スケールでの固体-液体相変化をLB法でモデル化するにあたり、主な数値的および物理的課題は何か？
• RQ3 多孔質材料における有効熱伝導率について、LBシミュレーションは解析的解および実験データとどのように比較されるか？
• RQ4 界面動態および不規則な幾何形状を扱う際、LB法は従来の有限差分法や有限体積法に比べてどのような点で優れているか？
• RQ5 多相・多成分・非等温流れを含む多孔質媒体へのLB法の拡張において、主な制限要因と未解決の課題は何か？

主な発見

• 格子ボルツマン法は、時間積分の内在的性質と移動界面の解像能力のおかげで、多孔質媒体内における一時的相変化ダイナミクスを効果的に捉えることができる。
• REVスケールでのLBシミュレーションは、理論的および実験的ベンチマークとよく一致する有効熱伝導率の予測を正確に提供する。
• エンタルピーに基づくLBアプローチは、複雑な多孔質構造でさえも良好な安定性と収束性を示しながら、固体-液体相転移を効果的にモデル化できる。
• 従来のEuler的スケーラーと比較して、不規則な境界および複雑なマイクロ構造を扱う点で、本手法は優れた性能を示す。
• 大規模シミュレーションにおける精度と効率を向上させるために、改善された熱緩和モデルと適応的グリッド戦略の開発が求められることが明らかになった。
• LBフレームワークは、複数の長さスケールおよび時間スケールにわたる多孔質媒体内の熱伝達を研究するための多様性とスケーラビリティに優れたツールであることが示された。