检索结果-内蒙古大学图书馆

中国力学大会（CCTAM 2019）

作者：林传栋许爱国中山大学中法核工程与技术学院清华大学燃烧能源中心北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室

流体吸放热现象广泛存在于自然界和各类工程应用之中。在热流演化过程中,流场和吸热(放热)过程相互耦合,表现出复杂的流体动力学和热力学非平衡效应,并且往往涉及从分子碰撞到大窝结构的多尺度演化过程。其中的小尺度、快模式、非平衡... 详细信息

流体吸放热现象广泛存在于自然界和各类工程应用之中。在热流演化过程中,流场和吸热(放热)过程相互耦合,表现出复杂的流体动力学和热力学非平衡效应,并且往往涉及从分子碰撞到大窝结构的多尺度演化过程。其中的小尺度、快模式、非平衡等复杂行为往往对传统连续、平衡或近平衡模型的物理合理性提出挑战。本文介绍的离散玻尔兹曼方法(DBM),除了将适用范围拓宽到Navier-Stokes不再有效的更深程度非平衡区域,还可提供与我们关注的宏观流动关系最密切的部分热力学非平衡信息与效应。同时,该方法具有演化方程形式简单统一,在模拟中方便实现不同非平衡程度建模之间的切换。DBM在流体吸放热方面的应用研究,为此类复杂物理问题的深入理解提供了全新的分析视角和研究手段。

关键词：吸热流体放热流体离散玻尔兹曼方法多尺度非平衡

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克努森数和扰动界面对RT不稳定性的影响 ——基于离散玻尔兹曼方法

克努森数和扰动界面对RT不稳定性的影响 ——基于离散玻尔兹曼方法

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作者：叶海燕福建师范大学

学位级别：硕士

瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor,RT）不稳定性广泛存在于自然界和工程领域中,例如惯性约束聚变、超新星爆炸、Z箍缩等离子体、量子磁化等离子体、胶体混合物等.众所周知,流体力学中的RT不稳定性仍有许多问题亟待解决.理论研究可以很好的获... 详细信息

瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor,RT）不稳定性广泛存在于自然界和工程领域中,例如惯性约束聚变、超新星爆炸、Z箍缩等离子体、量子磁化等离子体、胶体混合物等.众所周知,流体力学中的RT不稳定性仍有许多问题亟待解决.理论研究可以很好的获得一些特定图像和规律,但是其需要特定的假设条件,且考虑相对简单,导致所得规律与实际情况差别较大.而实验方法常常遇到实验器材价格昂贵、可重复性差、甚至操作危险性高等问题.随着计算科学的突飞猛进,具有投资少、周期短、可重复性等优势的数值仿真已成为广大科研和工程人员的青睐.基于此,本文通过介观数值模拟分别研究了克努森数效应、振幅效应和过渡层效应对RT不稳定性的影响.主要研究内容为:第1章回顾了RT不稳定性的国内外研究现状以及本文所采用的离散玻尔兹曼方法（discrete Boltzmann method,DBM）的发展历史及其应用进展.第2章给出用于研究RT不稳定性的DBM模型的推导过程以及非平衡信息提取的数学描述.该模型不仅能够描述宏观的流体力学行为,还可以更加细致的研究与流体流动行为密切相关的热动非平衡效应.第3章利用DBM研究了可压缩流体中克努森数（2）效应对RT不稳定性的影响.研究表明,2对RT不稳定性起抑制作用,同时,2的值越大,后期发展的开尔文-赫姆霍兹不稳定性越明显,出现“蘑菇状”的形状越快,热力学非平衡效应越显著.由于初始条件的设置,系统总热力学非平衡强度先减少后以指数的形式增长,而后缓慢增长.在远离扰动界面的地方,非平衡强度基本为零,非平衡效应主要集中在界面的两侧,这与宏观量的梯度密切相关.该部分内容的研究有助于深入理解克努森数效应在RT不稳定性中的非线性、多尺度、非平衡的物理本质.第4章利用DBM研究了振幅效应对可压缩流体RT不稳定性的影响.不同的初始振幅对RT不稳定性的影响有如下结果:首先,在系统演化前期,初始振幅越大,系统的整体密度梯度也越大;演化后期,随着初始振幅的增大,系统的密度梯度反而越小.其次,系统的非平衡区域占比呈现出与系统密度梯度相似的变化规律.不仅如此,研究结果还表明密度梯度在某一时刻的大小与初始振幅呈指数函数关系,而且系统的热力学非平衡区域占比也与初始振幅呈现相似的变化趋势.这些研究结果有助于我们更好地理解振幅效应在可压缩流体RT不稳定性的内在动理学机理,为促进或抑制RT不稳定性提供物理参考.第5章利用DBM研究了过渡层效应对可压缩流体RT不稳定性的影响.不同初始过渡层对RT不稳定性的影响有如下结果:首先,在系统演化前期,初始过渡层越大,系统的密度梯度反而越小;演化后期,初始过渡层越大,系统的密度梯度越大;其次,系统的非平衡区域占比呈现出与系统密度梯度相似的变化趋势;进一步,密度梯度在某一时刻的大小与初始过渡层呈二次函数关系,系统的非平衡区域占比与初始过渡层也呈二次函数关系.这些研究结果丰富了我们对过渡层效应的物理认识,为现有宏观连续建模的改进和惯性约束聚变等相关国防工程的应用提供理论参考和科学依据.第6章对本文的研究工作做了概括性总结,并对未来可压缩RT不稳定性的相关研究工作进行展望.

关键词：瑞利-泰勒不稳定性离散玻尔兹曼方法可压缩流体非平衡效应界面不稳定性

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基于离散玻尔兹曼方法的一维冲击与爆轰模拟研究

基于离散玻尔兹曼方法的一维冲击与爆轰模拟研究

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作者：苏咸利中山大学

学位级别：硕士

冲击与爆轰是造成切尔诺贝利核事故、福岛核事故以及其它诸多事故产生灾难性破坏的关键因素之一。同时,冲击与爆轰在现代武器技术、推进技术和医疗技术等领域的应用方面也发挥着特别重要的作用。然而,冲击波与爆轰的作用机理十分复杂,... 详细信息

冲击与爆轰是造成切尔诺贝利核事故、福岛核事故以及其它诸多事故产生灾难性破坏的关键因素之一。同时,冲击与爆轰在现代武器技术、推进技术和医疗技术等领域的应用方面也发挥着特别重要的作用。然而,冲击波与爆轰的作用机理十分复杂,表现出高瞬变、强间断、非线性、非平衡等行为特征。尤其是爆轰,其具有化学反应与激波动力学耦合的物理特征,这使得传统方法的适用性往往面临巨大挑战。目前,对冲击与爆轰的精准预测、有效控制和对各类实际复杂工况下冲击和爆轰演化过程的特征机制和物理规律的探究是国防与工业现代化建设持续发展的研究需求。本文使用离散玻尔兹曼方法(DBM)模拟研究一维非平衡冲击与爆轰现象。DBM是一种基于玻尔兹曼方程的介观动理学方法,可用于深入研究各种复杂流体系统热力学非平衡行为,在分析研究非平衡、非线性和高瞬变复杂流体问题方面具有巨大的应用空间。本文的主要研究内容如下:(一)对冲击波的模拟研究基于DBM模拟研究了在冲击波附近的流体力学和热力学非平衡效应,从微介观层次深入理解了冲击波传播过程的精细结构,并从动理学角度多方位对实时伴随物理量梯度的热力学非平衡效应进行了分析。首先,根据粒子速度分布函数和局部平衡态分布函数的特征,给出了绝对偏离度和相对偏离度的概念及其数学表达式,并首次定量分析了在非平衡效应影响下速度分布函数偏离麦克斯韦速度分布函数的具体状态。通过查普曼-恩斯科格多尺度分析,从理论上推导了粒子速度分布函数的数学表达式,该表达式是物理量及其梯度的函数。然后,结合DBM的数值模拟结果,恢复了在冲击波波阵面附近的速度分布函数。此外,还研究了马赫数、热导率、粘性等对冲击波波阵面附近非平衡效应的影响。(二)对爆轰波的模拟研究首先,通过查普曼-恩斯科格多尺度分析,从气体动理学理论出发推导了化学反应流系统的非平衡粒子速度分布函数的数学表达式。其限制条件为:化学反应时间尺度远大于分子弛豫时间尺度,并且远小于系统特征时间尺度。另外,本文使用两步化学反应模型描述爆轰过程的化学反应进程。根据理论推导和数值模拟结果,证明了分布函数依赖于宏观物理量及其导数,而与化学反应不直接相关。另外,首次利用数值结果验证了离散分布函数求和计算的动理学矩和原始形式积分计算的动理学矩基本相等。这也进一步证明了DBM在模拟研究非平衡爆轰系统方面具有较好的可靠性。然后,研究分析了在爆轰波附近的粒子速度分布函数和平衡态粒子速度分布函数的动理学矩以及相应的非平衡量。经过比较分析,平衡态分布函数的动理学矩与其解析解的结果完全一致,粒子速度分布函数偏离其平衡态的情况与非平衡物理量的变化规律一致。此外,基于DBM的模拟结果,详细分析了爆轰波周围粒子速度分布函数、平衡态分布函数以及分布函数对于局域平衡态的偏离情况。

关键词：冲击波爆轰波离散玻尔兹曼方法非平衡效应

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冲击波的非平衡效应研究——基于离散玻尔兹曼方法

冲击波的非平衡效应研究——基于离散玻尔兹曼方法

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：林传栋苏咸利中山大学中法核工程与技术学院

冲击波在工业生产、医疗器材、消防安全、国防工程等领域都具有广泛的应用背景。由于其重要的实际应用价值,关于冲击波的课题在实验操作、理论分析、数值模拟领域都开展了广泛而深入的研究。本文基于一种新型的离散玻尔兹曼动理学方法,... 详细信息

冲击波在工业生产、医疗器材、消防安全、国防工程等领域都具有广泛的应用背景。由于其重要的实际应用价值,关于冲击波的课题在实验操作、理论分析、数值模拟领域都开展了广泛而深入的研究。本文基于一种新型的离散玻尔兹曼动理学方法,模拟研究冲击波波阵面附近的热力学非平衡效应。其中,结合理论推导和数值模拟,可以得到在非平衡效应影响下粒子速度分布函数偏离麦克斯韦分布函数的具体状态。本工作的研究有助于深入探索和理解非平衡效应对冲击波演化具体的影响机制规律,并且从动理学角度分析研究冲击波波阵面附近的精细化结构,推动可压缩流体力学和非平衡统计力学等相关学科的发展。

关键词：冲击波离散玻尔兹曼方法动理学非平衡效应可压缩

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基于离散玻尔兹曼方法的KH不稳定性研究

基于离散玻尔兹曼方法的KH不稳定性研究

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：林传栋罗开红许爱国中山大学中法核工程与技术学院伦敦大学学院机械工程系北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室

Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性广泛存在于自然界和各类科学工程领域。在KH不稳定性演化过程,往往伴随着复杂的非线性、非平衡和时空多尺度效应。如何有效模拟和准确预测复杂的流体动力学行为,一直是国内外的开放课题。本文基于先进的动... 详细信息

Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性广泛存在于自然界和各类科学工程领域。在KH不稳定性演化过程,往往伴随着复杂的非线性、非平衡和时空多尺度效应。如何有效模拟和准确预测复杂的流体动力学行为,一直是国内外的开放课题。本文基于先进的动理学方法——多组分离散玻尔兹曼方法,模拟研究KH不稳定演化过程的前期和后期行为,重点探索非平衡效应和温度差效应对流体不稳定性的影响机制。本工作的研究有助于从微介观层次深入理解复杂流体的宏观动力学行为,并能够为传统宏观模拟方法和理论分析方法提供可靠的数值参考。

关键词：流体不稳定性离散玻尔兹曼方法介观非平衡效应

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KH不稳定性的离散玻尔兹曼方法研究

KH不稳定性的离散玻尔兹曼方法研究

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第十届全国流体力学学术会议

作者：林传栋罗开红清华大学能源与动力工程系伦敦大学学院机械工程系

开尔文-亥姆霍兹(KH)不稳定性是一种基本的流体现象,并广泛存在于自然界和工程应用之中,比如风卷云、海浪的翻转、湍流燃烧、惯性约束核聚变等。深入研究KH不稳定性即具有重要的学术意义,也具有现实的应用价值。作为一种有效的介观数值... 详细信息

开尔文-亥姆霍兹(KH)不稳定性是一种基本的流体现象,并广泛存在于自然界和工程应用之中,比如风卷云、海浪的翻转、湍流燃烧、惯性约束核聚变等。深入研究KH不稳定性即具有重要的学术意义,也具有现实的应用价值。作为一种有效的介观数值方法,离散玻尔兹曼方法(DBM)为精确描述带有复杂界面的非平衡流体现象提供了可靠手段。一方面,本文介绍了DBM的基本构建思想和其描述非平衡系统的原理。另一方面,基于该模型本文模拟研究了在KH不稳定性演化过程中不同雷诺数对流体非平衡效应和混合过程的影响机制和特征。该工作的研究,不仅对传统宏观数值方法在流体系统的应用和改进提供理论依据和数值参考,同时有助于进一步深入认识非平衡流体演化过程的物理本质。

关键词： KH不稳定性离散玻尔兹曼方法非平衡流体

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含重力多相流系统的离散玻尔兹曼建模

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 135-142页

作者：王霜锷林传栋严微微苏咸利杨立臣孙佳坤孙笑朋中国计量大学计量测试工程学院杭州310018 中山大学中法核工程与技术学院珠海519082

本文提出了适用于含重力多相流系统的离散玻尔兹曼模型(DBM)。该模型基于动理学理论,使用形式统一的离散Boltzmann方程描述多相流的演化过程。在方程右侧,加入相变源项用于描述相变现象,同时引入了外力项,用于描述重力场的影响。该DBM... 详细信息

本文提出了适用于含重力多相流系统的离散玻尔兹曼模型(DBM)。该模型基于动理学理论,使用形式统一的离散Boltzmann方程描述多相流的演化过程。在方程右侧,加入相变源项用于描述相变现象,同时引入了外力项,用于描述重力场的影响。该DBM使用二维33速模型,此速度模型是基于Hermite多项式理论建立的。通过Chapman-Enskog多尺度分析可以证明,该DBM除了能够恢复包含分子间相互作用和外力的Navier-Stokes方程组之外,还具有描述一定热力学非平衡行为的功能。最后,通过四个数值算例(自由落体,气液共存曲线,Sod激波管,气泡融合)验证DBM的正确性。

关键词：多相流相变离散玻尔兹曼方法非平衡效应

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多模态瑞利-泰勒不稳定性的离散玻尔兹曼数值研究

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空气动力学学报 2022年第3期40卷 140-150,I0003页

作者：陈璐赖惠林林传栋李德梅福建师范大学数学与统计学院福州350117 福建师范大学福建省分析数学及应用重点实验室福州350117 福建师范大学福建省应用数学研究中心福州350117 中山大学中法核工程与技术学院珠海519082

瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性广泛存在于自然界和工程领域,认清RT不稳定性演化过程中的物理机理具有重要的理论意义和实用价值。本文利用离散玻尔兹曼方法模拟了可压缩流体的RT不稳定性现象,并利用该方法对界面连续的随机多... 详细信息

瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性广泛存在于自然界和工程领域,认清RT不稳定性演化过程中的物理机理具有重要的理论意义和实用价值。本文利用离散玻尔兹曼方法模拟了可压缩流体的RT不稳定性现象,并利用该方法对界面连续的随机多模初始扰动的可压缩RT不稳定性进行了数值研究。研究结果表明,在温度梯度的影响下,与热通量相关的热力学非平衡强度呈现先增大后减小的趋势;在热扩散作用下,界面上的热力学非平衡强度先减小后增大,继而影响热力学非平衡区域的占比,使之呈现相同的变化趋势。最后,分析了全局平均热力学非平衡强度随时间的演化规律,发现在宏观物理量梯度和热力学非平衡面积的共同作用下,全局平均热力学非平衡强度先增后减,最后趋于稳定。不仅如此,热力学非平衡区域面积的增大(减小)会增强(减弱)热力学非平衡的强度;同时,物质界面物理量梯度的增大(减小)对全局平均热力学非平衡强度也有相同的影响,二者相互作用、相互竞争。

关键词：瑞利-泰勒不稳定性离散玻尔兹曼方法统计物理粗粒化建模非平衡效应动理学建模

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基于相空间的复杂物理场建模与分析方法

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计算物理 2021年第6期38卷 631-660页

作者：许爱国宋家辉陈锋谢侃应阳君北京应用物理与计算数学研究所北京100088 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京理工大学宇航学院北京100081 山东交通学院航空学院山东济南250357

评述两个基于相空间的建模与分析方法及其应用。第一个是基于闵可夫斯基泛函的形态分析方法,第二个是基于离散玻尔兹曼方程的建模与分析方法。两者均是统计物理学相空间描述方法的进一步发展:以相对独立的行为特征量为基,构建相空间,使... 详细信息

评述两个基于相空间的建模与分析方法及其应用。第一个是基于闵可夫斯基泛函的形态分析方法,第二个是基于离散玻尔兹曼方程的建模与分析方法。两者均是统计物理学相空间描述方法的进一步发展:以相对独立的行为特征量为基,构建相空间,使用该相空间和其子空间来描述系统的行为特征;该相空间中的一个点对应系统的一组行为特征;两点间的距离d可用来描述两组行为特征的差异,其倒数可用来描述两组行为特征的相似度(S=1/d);一段时间内两点间距离的平均值d可用来描述两个动理学过程的差异,其倒数可用来描述这两个动理学过程的相似度(S_(p)=1/d)。从历史角度,基于闵可夫斯基泛函的形态相空间分析方法在先,接受其启发是离散玻尔兹曼方法朝着相空间描述方法发展过程中的关键环节。形态分析方法独立于数据来源,因而离散玻尔兹曼模拟得到的结果,除了可以使用其自带的分析功能之外,还可进一步使用形态分析方法获得另一个层面或视角的认识。在复杂介质动理学研究中,这两个方法从不同的视角,使得许多以前无法提取的信息得以分层次、定量化研究。

关键词：离散玻尔兹曼方法形态分析方法复杂物理场统计物理相空间

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激波/平板层流边界层干扰熵增特性

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航空学报 2023年第21期44卷 269-286页

作者：宋家辉许爱国苗龙廖煜淦梁福文田丰聂明卿王宁飞北京理工大学宇航学院北京100081 北京应用物理与计算数学研究所计算物理全国重点实验室北京100088 冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室绵阳621900 北京理工大学爆炸科学技术国家重点实验室北京100081 北京大学工学院应用物理与技术研究中心高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京理工大学重庆创新中心重庆404100

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平... 详细信息

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平衡统计物理学的离散玻尔兹曼方法(DBM)对高马赫数规则反射及激波/层流平板边界层干扰问题进行了仿真研究,借助高阶非守恒动理学矩,DBM可以方便地捕捉黏性和热流等热力学非平衡效应,并定量化研究两者引起的熵产生率。结果表明:对于规则反射,反射激波中的非平衡强度强于入射激波;对于激波/层流平板边界层干扰,激波中黏性引起的熵产生率占主导,边界层中热流引起的熵产生率占主导,两种熵产生率的强度均随马赫数的增加而增强。研究结果可为评估进气道内的流动品质提供理论指导。

关键词：超燃冲压发动机熵增非平衡特性离散玻尔兹曼方法激波/层流边界层干扰

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