[发明专利]多孔介质LBM计算网格生成方法

说明书

本发明公开了多孔介质LBM计算网格生成方法，包括步骤：S1，获取多孔介质几何数模文件；S2，判断几何空间域的范围；S3，计算LBM物理求解域范围及各方向的网格节点数；S4，计算多孔介质几何数模文件的各固体骨架表面单元在LBM计算空间的区域范围；S5，判断固体骨架表面单元是否存在交点并标记；S6，进行流/固求解域与边界的判断；S7，根据交点排列的奇偶性对流/固区域进行区分；S8对LBM计算空间内的流/固区域与边界进行标识，进而完成LBM计算网格的生成等；本发明使得计算网格的生成能同时兼顾微细结构重建的真实性与网格空间分辨率的可调整性，能够提升LBM求解的灵活性与可靠性等。

技术领域

本发明涉及多孔介质及计算材料设计领域，更为具体的，涉及多孔介质LBM计算网格生成方法。

背景技术

多孔介质是由固体骨架和空隙中流体等多相物质体系共同占据空间的一种特殊组合体，而含多孔介质特征的工程材料，如高温陶瓷、泡沫金属等，通常具有体积密度小、相对质量轻、比强度高等优点，被广泛应用于对结构重量要求较为苛刻的航空航天领域。在具体的工程使用过程中，一般将多孔介质等价为均匀分布的虚拟连续体，并通过实验测量的方式对材料等效性能进行表征。然而，由于多孔介质在微细观尺度上具有大小不一、分布随机的真实孔隙结构，使得不同批次、加工工艺以及不同服役环境下的材料性能均存在不确定性，极大地制约了该类材料的研发与应用进程。

随着计算机性能的快速增长，计算材料设计（Computational Material Design,CMD）逐渐成为加速新材料研发的重要技术。该技术主要借助从微观到宏观不同尺度的数值模拟方法，研究分析材料多个尺度的物化现象与各类参数的影响规律，从而实现对材料各种力学与热学性质的准确预测，并为材料的优化设计提供指导方向。在众多计算材料数值模拟方法中，格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）作为一种基于非平衡统计物理学Boltzmann方程的计算方法，对于复杂流体系统中的一些多尺度行为具有物理描述上的自适应性，加上边界条件处理简单以及程序易于并行求解等优点，近年来在多孔介质研究领域得到了广泛关注。

LBM计算网格的生成质量是影响多孔介质材料性能预测准确性的重要因素。当前，公开文献提出的多孔介质LBM计算网格生成方式可以概括为规则建模、随机生成与X-CT扫描等3种主要手段。其中，规则建模方式主要通过提取材料孔隙结构的重要几何特征，采用体心、面心、四面体以及八面体等规则模型进行简单近似，由于规则模型的描述通常可以解析表达，使得对应LBM计算网格的生成较为简单，但无法反映材料微观结构的随机分布特征；随机生成方式是采用高斯随机场对材料微细结构进行重建，该方法可实现LBM计算网格的同步生成，但与真实微细结构仍存在较大差异；X-CT扫描方式通过微CT成像技术获得多孔介质材料的三维空间点云数据，并经过一定的滤波处理后直接作为LBM计算网格进行求解，能真实反映多孔介质孔隙尺度的微细结构特征，但其空间分辨率会直接受到设备硬件的限制，无法根据实际计算状态进行网格调整，从而影响LBM求解的灵活性与可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供多孔介质LBM计算网格生成方法，使得计算网格的生成能同时兼顾微细结构重建的真实性与网格空间分辨率的可调整性，能够根据实际计算状态进行网格调整，提升LBM求解的灵活性与可靠性等。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

多孔介质LBM计算网格生成方法，包括步骤：

S1，获取多孔介质几何数模文件；

S2，根据多孔介质几何数模文件的所有表面单元各顶点的坐标来判断几何空间域的范围；

S3，根据LBM计算的网格规模和几何空间域的范围，计算LBM网格空间分辨率、物理求解域范围及各方向的网格节点数；

S4，根据多孔介质几何数模文件和LBM网格空间分辨率设置，计算多孔介质几何数模文件的各表面单元在LBM计算空间的区域范围；