[论文解读] 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 9

一句话总结

本综述介绍了用于在孔隙尺度和代表性体积单元（REV）尺度下模拟多孔介质中单相及固液相变传热的格子Boltzmann（LB）方法。基于LB方法的动理学基础及其处理复杂边界的能力，该方法能够准确模拟瞬态界面动态行为和有效导热系数，为多相与多尺度传热问题在多孔系统中的数值模拟提供了稳健的工具。

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.

研究动机与目标

• 提供关于多孔介质中流体流动与传热的格子Boltzmann（LB）方法的全面综述。
• 考察LB方法在孔隙尺度和REV尺度下对单相及固液相变过程的应用。
• 分析LB方法在捕捉相变过程中复杂界面动态行为和瞬态行为方面的能力。
• 评估LB方法在预测多孔材料中有效导热系数方面的应用。
• 识别在将LB方法拓展至多孔介质中先进传热应用方面的关键挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 本综述综合了基于动理学理论的LB方法在流体流动与传热方面的基本公式。
• 详细阐述了在REV尺度下，利用有效介质近似方法，将LB方法应用于多孔介质中的单相流动与传热。
• 采用基于焓的数值方法来模拟固液相变，通过分布函数追踪相界面的演化。
• 通过引入适当的边界条件和松弛参数，将LB格式扩展至处理复杂几何结构和移动界面。
• 在稳态条件下通过LB模拟预测有效导热系数，并将结果与解析模型和经验模型进行对比。
• 通过基准算例验证该方法，并将其应用于代表性多孔结构，以展示其准确性和高效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 格子Boltzmann方法如何在具有复杂边界的多孔介质中准确模拟瞬态传热与相变？
• RQ2 在孔隙尺度下，使用LB方法模拟固液相变时面临的关键数值与物理挑战是什么？
• RQ3 LB模拟在预测多孔材料中有效导热系数方面，与解析解和实验数据的对比结果如何？
• RQ4 LB方法在处理界面动态行为和不规则几何结构方面，相较于传统有限差分或有限体积方法有何优势？
• RQ5 在将LB方法扩展至多相、多组分及非等温流体在多孔介质中的模拟时，其局限性与开放性挑战有哪些？

主要发现

• 由于其固有的时间推进特性及对移动界面的解析能力，格子Boltzmann方法能有效捕捉多孔介质中瞬态相变动力学。
• 在REV尺度下的LB模拟能准确预测有效导热系数，其结果与理论和实验基准高度吻合。
• 基于焓的LB方法在复杂多孔结构中也能实现良好的稳定性与收敛性，成功模拟了固液相变过程。
• 与传统欧拉型求解器相比，该方法在处理不规则边界和复杂微观结构方面表现出更优的性能。
• 综述指出，需改进热松弛模型并发展自适应网格策略，以提升大规模模拟中的精度与效率。
• LB框架被证明是研究多孔介质中多尺度传热问题的多功能且可扩展的工具。