Unit conversion in pseudopotential lattice Boltzmann method for liquid–vapor phase change simulations

Abstract

Pseudopotential Lattice Boltzmann (LB) model is an effective mesoscopic method for liquid-vapor phase change simulations. In LB methods, calculations are often carried out in lattice units. Thus, a correct mapping from the lattice unit system to the physical unit system is crucial for accurate simulations of practical problems. The unit conversion for liquid-vapor phase change problems is more complicated than single-phase problems, because an equation of state (EOS) for a non-ideal fluid is introduced in the pseudopotential two-phase model. In the present work, a novel unit conversion method for the pseudopotential LB model is proposed. The basic strategy is to obtain the conversion relations of fundamental units by mapping the surface tension and EOS parameters related to fluid properties, and thus the unit conversion relations of other quantities are deduced. Numerical simulations of benchmark problems including the film evaporation and the bubble heterogeneous nucleation from a V-shaped cavity are carried out, and the simulation results are converted to the physical unit system by the proposed method. The numerical results demonstrate that the proposed method is able to recover the physical-unit latent heat of the fluid in the film evaporation problem. In the bubble nucleation from a V-shaped cavity problem, the conventional unit conversion method cannot derive the correct superheat temperature in physical unit, while the proposed method based on fundamental units recovers the critical superheat temperature which is consistent with the analytical result.

Lattice Boltzmann Simulation of Cavitating Flow in a Two-Dimensional Nozzle with Moving Needle Valve

“…This section will discuss the conversion method from lattice units to physical units for phase change processes in the LBM, as introduced by Wang et al [47]. All physical quantities are constructed from base quantities, and for multiphase flow issues that involve heat transfer and mass, the standard practice is to use four fundamental units: T, Θ, L, and M, which correspond to time t, temperature T, length l, and mass m, respectively.…”

Método de Boltzmann em rede do pseudopotencial: estudo sobre suas extensões, aplicação e viabilidade para simulações vapor-líquido

“…A metodologia desenvolvida foi aplicada em problemas com menores influências de condições de contorno, por exemplo, o resfriamento de uma gota em um meio quiescente, e em problemas com uma superfície aquecida com diferentes molhabilidades, como a ebulição em piscina. Por fim, na última etapa, baseado em um trabalho recente da literatura de Wang et al (2022), que trouxe uma nova proposta de mapeamento entre unidades de rede e unidades físicas, mostrou-se que a metodologia proposta para refinamento de malha no trabalho presente é totalmente consistente com a propostas desses autores. Além disso, também buscou-se entender as limitações do método do pseudopotencial para aplicação em problemas de ebulição reais, e realizando buscas paramétricas com objetivo de otimizar o tempo computacional estimado.…”

“…O uso das unidades de rede é bem estabelecido na literatura. No entanto, recentemente, alguns estudos trouxeram algumas inconsistências quando empregado de qualquer maneira para o método do pseudopotencial (WANG et al, 2022). Esse assunto será retomando em seções posteriores.…”

“…Um trabalho recente que investiga esse ponto foi realizado por Wang et al (2022). Os autores mostraram que o mapeamento entre unidades de rede e unidades físicas possui algumas peculiaridades utilizando o método do pseudopotencial quando comparado com o método de Boltzmann para problemas monofásicos.…”

“…Por fim, muitos resultados apresentados em estudos de nucleção ainda são apresentados de forma qualitativa, utilizando adimensionalização ou mesmo resultados em unidades de rede, apenas mostrando alguma tendência. Nesse ponto, um trabalho recente realizado por Wang et al (2022) trouxe uma discussão importante sobre as inconsistências na conversão do sistema de unidades de rede para unidades físicas com o método do pseudopotencial.…”