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复杂流体系统的离散Boltzmann建模、模拟与分析


报告人:许爱国(北京应用物理与计算数学研究所)
时间:2015年5月26日(周二)12:15-13:15
地 点:工学院1号楼210
主持人:乔宾 特聘研究员

报告简介:

非平衡与多相复杂流体系统形式多样,广泛存在于自然界和工程物理等领域。这类系统的物理建模、算法设计与物理规律提取均存在较强的挑战性!复杂的受力与弛豫导致丰富、复杂的流动与热动非平衡行为与效应。在燃烧等复杂过程中,化学反应引起的放热、压缩甚至冲击等过程的介入使得系统行为的复杂程度进一步剧增。随着对系统粗线条、主要特征的逐渐掌握,随着对非平衡相变、冲击、爆燃、爆轰等复杂物理过程模拟精度要求的提高,系统内的各种微介观结构与非平衡效应正在成为人们关注的热点。

离散Boltzmann方法(Discrete Boltzmann Method, DBM)是近年来发展起来的一种新的流体介观建模。本报告简要评述DBM发展的两个方向 ─ Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法(在文献中常被称为Lattice Boltzmann Method, LBM)和复杂系统的微介观、粗粒化、动理学建模。主要介绍在复杂流体系统建模与模拟方面DBM已有的工作、新近的思路、与传统流体建模的异同以及近期的研究成果。本文所重点传递的信息为:作为复杂系统微介观、粗粒化、动理学建模出现的DBM在模拟过程中同时给出“流动”及其相伴随的、关系最密切的那部分“热动”非平衡效应;它为复杂流动过程中各类非平衡行为的描述、非平衡信息的提取、非平衡程度的度量提供了一条思路;它所提供的热动非平衡测量量有两类:一类是直接比较分布函数和平衡态分布函数的动理学矩关系得到的,一类是来自于Chapman-Enskog多尺度分析给出的热传导和黏性项。基于第二类DBM,可以实现(非平衡相变、燃烧等)一大类复杂流体系统的多尺度物理建模。

总所周知,液气等非平衡相变过程通常可以粗略地划分为“亚稳相分解”和“相畴增长”两个阶段,以前的多相流模拟研究多集中在“相畴增长”这一后期阶段;爆燃、爆轰波结构及其附近的复杂流动行为、界面踪技术等一直是复杂流体系统研究的重要内容。我们发现:DBM模拟为“亚稳相分解”和“相畴增长”这两个阶段的合理划分提供一个自然、有效的物理判据,从而使得表面张力、温度等对“亚稳相分解”这一早期阶段的时间尺度等行为得以进一步深入研究。在界面众多的复杂流体系统中,DBM描述自身所包含的“非平衡强度”特征已用于界面追踪技术设计。在爆轰波附近,黏性和热传导降低局域热动非平衡,但增强整体热动非平衡效应。

 

参考文献

  1. 许爱国、张广财、李英骏、李华,非平衡与多相复杂系统模拟研究:Lattice Boltzmann 动理学理论与应用,物理学进展,34(3),136 (2014).
  2. Aiguo Xu, Guangcai Zhang, Yanbiao Gan, Feng Chen, Xijun Yu, Lattice Boltzmann modeling and simulation of compressible flows, Frontiers of Physics7(5), 582 (2012).   (Review Article)
  3. 许爱国、张广财、应阳君,燃烧系统的离散Boltzmann建模与模拟研究进展,《物理学报》- 约稿 (in press)
  4. Yanbiao Gan, Aiguo Xu*, Guangcai Zhang, et al, Lattice Boltzmann study of thermal phase separation: Effects of heat conduction, viscosity and Prandtl number, EPL 97, 44002 (2012).  【收录 EPL Highlights of 2012】
  5. Chuandong Lin, Aiguo Xu*, Guangcai Zhang, Yingjun Li, Sauro Succi, Polar-coordinate lattice Bolztamm modeling of compressible flow, Physical Review E 89, 013307 (2014).
  6. Aiguo Xu, Chuandong Lin, Guangcai Zhang, Yingjun Li, Multiple-relaxation-time lattice Boltzmann kinetic model for combustion, Physical Review E 91, 043306 (2015).
  7. Yanbiao Gan, Aiguo Xu, Guangcai Zhang, Sauro Succi, Discrete Boltzmann modeling of multiphase flows: hydrodynamic and thermodynamic non-equilibrium effects, arXiv:1503.08450.

 


报告人介绍:

许爱国,北京应用物理与计算数学研究所研究员、北京大学工学院兼职教授、中国工程物理研究院力学与工程学科物理力学专家组成员。
主要经历:
1998/06,中国工程物理研究院研究生部获理学博士学位,导师为陈式刚院士
1998/07 – 2000/06,北京师范大学物理系博士后研究人员
2000/07 – 2001/06,韩国首尔大学物理系BK21(Brain of Korea in 21st century)博士后研究人员
2001/07 – 2003/11,意大利巴里大学物理系访问学者
2003/11 – 2006/04,日本京都大学物理系COE(Center of Excellence)研究员
2006/04 – 现在,北京应用物理与计算数学研究所,从事国防应用基础研究

主持完成国家自然科学基金、中物院发展基金、国防科技重点实验室基金等课题10多项,发表研究论文100多篇,在国际会议做邀请报告3次,在国内学术会议做邀请报告和在高校科研院所做专题学术报告20余次。

 

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