● 摘要
在流体模拟方面，格子Boltzmann 方法已经发展成为一个强有力的数值模拟工具。尤其是对具有复杂几何边界和多组分的不可压流的模拟，其独特的处理方法已经得到了充分的论证。因此，选用格子Boltzmann方法来处理火箭喷流与月尘所组成的两相流时，有着得天独厚的优势。特别是近些年来，随着一些可压缩模型和热力学模型的出现，格子Boltzmann 方法在处理可压缩和热流体方面也取得了一些成就，从而扩大了格子Boltzmann 方法的应用范围。传统的格子Boltzmann模型在处理可压缩流体的流动时，由于粒子速度受到网格尺寸的影响，导致可模拟的流体流动的马赫数不能超过1。本文则采用一个基于多速度热力学模型的有限差分格子Boltzmann方法，消除了网格结构对粒子速度的这一限制，从而提高了可模拟流体流动的马赫数。通过对Couette流等经典流动的模拟，验证了模型在模拟不可压流时的正确性；同时，还对火箭喷流所形成的流场进行了模拟，从而验证了模型模拟可压缩流的可行性。本文还对粒子及月尘的特性进行了简单的介绍，并在喷流流场计算的基础上，引入离散粒子模型，研究了由火箭喷流和月尘所形成的气体-颗粒两相流。利用粒子追踪的方法，模拟了粒子在气流中的扩散现象，并根据采样粒子的概念推导出了计算粒子浓度公式，从而分析了粒子尺寸对颗粒运动和浓度分布的影响。