[论文解读] Comparison of multiphase SPH and LBM approaches for the simulation of intermittent flows

Thomas Douillet-Grellier, Sébastien Leclaire+3 more|ArXiv.org|Mar 4, 2019

Lattice Boltzmann Simulation StudiesEngineering参考文献 102被引用 20

一句话总结

本研究比较了在管道中模拟间歇性塞流时，光滑粒子流体动力学（SPH）与格子Boltzmann方法（LBM）的表现，采用连续表面力模型（SPH）和颜色梯度模型（LBM）处理表面张力。LBM在精度和速度方面表现更优，而SPH在高密度比下更具鲁棒性，但在低粘度下不稳定；LBM在高雷诺数下稳定性较差。

ABSTRACT

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and Lattice Boltzmann Method (LBM) are increasingly popular and attractive methods that propose efficient multiphase formulations, each one with its own strengths and weaknesses. In this context, when it comes to study a given multi-fluid problem, it is helpful to rely on a quantitative comparison to decide which approach should be used and in which context. In particular, the simulation of intermittent two-phase flows in pipes such as slug flows is a complex problem involving moving and intersecting interfaces for which both SPH and LBM could be considered. It is a problem of interest in petroleum applications since the formation of slug flows that can occur in submarine pipelines connecting the wells to the production facility can cause undesired behaviors with hazardous consequences. In this work, we compare SPH and LBM multiphase formulations where surface tension effects are modeled respectively using the continuum surface force and the color gradient approaches on a collection of standard test cases, and on the simulation of intermittent flows in 2D. This paper aims to highlight the contributions and limitations of SPH and LBM when applied to these problems. First, we compare our implementations on static bubble problems with different density and viscosity ratios. Then, we focus on gravity driven simulations of slug flows in pipes for several Reynolds numbers. Finally, we conclude with simulations of slug flows with inlet/outlet boundary conditions. According to the results presented in this study, we confirm that the SPH approach is more robust and versatile whereas the LBM formulation is more accurate and faster.

研究动机与目标

• 定量比较SPH与LBM在模拟间歇性两相流（特别是管道中的塞流）时的表现。
• 评估SPH采用连续表面力模型与LBM采用颜色梯度方法在处理表面张力方面的性能。
• 评估两种方法在不同密度比与粘度比下的鲁棒性、精度、稳定性及计算效率。
• 将LBM边界条件扩展至多相系统中，以处理进出口流动条件。
• 基于流动状态与物理参数，为方法选择提供实用建议。

提出的方法

• 采用连续表面力（CSF）模型实现SPH中的多相流表面张力。
• 采用颜色梯度方法实现LBM中的多相流表面张力。
• 使用扩展后的Zou-He边界条件处理多相流，以实现速度入口与压力出口条件。
• 通过不同密度比与粘度比的静态气泡算例验证两种方法。
• 在多个雷诺数下对二维管道中的塞流进行数值模拟，以评估动态行为与流动结构形成。
• 采用共享的Fortran框架与OpenMP并行化进行性能基准测试，比较计算速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPH与LBM在模拟具有不同密度比与粘度比的静态气泡时表现如何？
• RQ2 在周期性边界条件下，哪种方法能更准确地捕捉二维管道流中塞流的形成与形态？
• RQ3 随着雷诺数增加，两种方法在精度、稳定性与收敛阶数方面的表现如何？
• RQ4 在相同模拟设置下，SPH与LBM在计算效率与可扩展性方面有何差异？
• RQ5 边界条件对SPH与LBM模拟中塞流频率与尺寸的影响有何不同？

主要发现

• LBM在静态气泡与塞流模拟中均表现出更高的精度与更好的收敛阶数，优于SPH。
• SPH在高密度比（高达1000）下比LBM更具鲁棒性，而LBM在高粘度比下表现困难。
• 在相同硬件条件下，LBM的计算速度约为SPH的四倍（针对40,000粒子模拟），归因于其基于局部网格的算法。
• SPH由于拉格朗日粒子运动导致压力场更嘈杂，而LBM提供更平滑的压力场。
• LBM在高雷诺数（Re > 1000）下表现出不稳定性，而SPH在相同条件下仍保持稳定，仅受CFL条件限制。
• 尽管两种方法在塞流结构形成上表现相似，SPH生成的气泡更大且更不规则，可能源于边界条件实现方式的差异。