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中国核学会2019年学术年会

作者：林传栋许爱国马宇中山大学中法核工程与技术学院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

放热流体广泛存在于自然界和工程应用之中,尤其是在核能工程中,是一种非常重要的常见物理现象。放热流体系统大都涉及从微观尺度的分子碰撞到宏观流动尺度的大窝结构,并且包含复杂的流动力学和热力学非平衡行为,这往往使得传统模拟方法... 详细信息

放热流体广泛存在于自然界和工程应用之中,尤其是在核能工程中,是一种非常重要的常见物理现象。放热流体系统大都涉及从微观尺度的分子碰撞到宏观流动尺度的大窝结构,并且包含复杂的流动力学和热力学非平衡行为,这往往使得传统模拟方法的适用性面临挑战。传统宏观方法对非平衡效应显著的区域经常存在物理描述能力不足的问题,而微观粒子方法往往由于计算资源的限制难于模拟足够时空尺度的系统。本文构建并使用的离散玻耳兹曼方法(DBM)主要就是针对这一中间尺度(非平衡程度、连续程度)的流体行为。DBM自然继承了玻耳兹曼方程描述和测量非平衡物理系统的部分功能,不仅能够在连续性极限条件下得到与宏观控制方程一致的结果,还能够有效延伸至传统宏观控制方程失效时的更强非平衡区域。同时,该方法具有演化方程形式简单、易于编程处理、稳定性好、适用于并行化处理等优势特点。DBM在非平衡放热流体的应用研究,将有助于从微介观尺度深入理解非平衡物理系统的本质机制和特征规律,并且能够为传统计算方法的改进提供可靠的数值参考和理论支撑。

关键词：放热流体爆轰非平衡效应离散玻耳兹曼方法介观模拟

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可压缩RT不稳定性的DBM建模与模拟

可压缩RT不稳定性的DBM建模与模拟

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：赖惠林李德梅叶海燕陈璐林传栋甘延标许爱国福建师范大学数学与信息学院中山大学中法核工程与技术学院北华航天工业学院北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室

当轻流体支撑或者加速重流体时,界面处的扰动会随时间增长的物理现象称之为瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性。除了惯性约束聚变会出现RT不稳定性现象,在自然界和工业领域中也会出现该现象,如燃烧和化学反应过程、污染物扩散过程... 详细信息

当轻流体支撑或者加速重流体时,界面处的扰动会随时间增长的物理现象称之为瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性。除了惯性约束聚变会出现RT不稳定性现象,在自然界和工业领域中也会出现该现象,如燃烧和化学反应过程、污染物扩散过程、地质运动过程、洋流流动过程和超新星爆发过程等。人们在生产生活中对RT不稳定性的处理原则自然是:有利强之,有害抑之。精准、有效地强化或者抑制的前提是对其发生、发展各个阶段的特征、机制和规律有个清晰的认识。对于RT不稳定性的研究,以往大多采用宏观连续流体模型,侧重考查宏观层次的流动非平衡行为和效应,更底层的介观层次的热力学非平衡相关的动理学模式和行为特征尚未得到充分研究。然而,复杂问题往往需要多层次、多视角研究,一些中间(介观)尺度行为的研究也需要微观、介观和宏观建模相结合。本报告基于上述背景简要介绍离散玻尔兹曼建模(Discrete Boltzmann Modeling,DBM)方法在RT不稳定性的研究进展,重点关注不易用传统宏观流体模型描述的流体力学和热力学非平衡效应,理解流动和热动非平衡过程及其相互关联和响应,为宏观流体模型的改进和惯性约束聚变等相关工程的应用提供理论参考。

关键词：流体不稳定性非平衡效应多尺度离散玻尔兹曼方法

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非结构多面体二阶局部保界全局重映算法

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计算物理 2018年第1期35卷 22-28页

作者：徐喜华刘娜陈艺冰北京应用物理与计算数学研究所北京100088 计算物理实验室北京应用物理与计算数学研究所北京100088 中物院高性能数值模拟软件中心北京100088

提出一种三维非结构多面体二阶保界全局重映算法.在旧网格上选取模板利用最小二乘构造插值多项式,采用凸包算法计算多面体相交部分,最后使用局部保界修正技术修补重映后的越界量.多项数值实验表明这种格式同时具有高精度、高分辨率和高... 详细信息

提出一种三维非结构多面体二阶保界全局重映算法.在旧网格上选取模板利用最小二乘构造插值多项式,采用凸包算法计算多面体相交部分,最后使用局部保界修正技术修补重映后的越界量.多项数值实验表明这种格式同时具有高精度、高分辨率和高效率的特点.

关键词：全局重映局部保界算法多面体求交贡献网格方法

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一种中心型间断有限元MMALE方法

一种中心型间断有限元MMALE方法

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第十届全国青年计算物理学术会议

作者：卿芳蔚喜军贾祖朋北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室中国工程物理研究院研究生院

针对含有强剪切变形的多介质可压缩流体动力学问题,提出了一种单元中心型二维MMALE (Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法。在拉氏步,流体力学方程组采用中心型间断有限元方法求解,其中选取谱基函数[1]作为基函数。与文... 详细信息

针对含有强剪切变形的多介质可压缩流体动力学问题,提出了一种单元中心型二维MMALE (Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法。在拉氏步,流体力学方程组采用中心型间断有限元方法求解,其中选取谱基函数[1]作为基函数。与文[1]不同的是,本文是在变形的拉氏网格上求解流体力学方程组。对于混合网格,采用Tipton压力松弛模型更新物理量,用等参坐标法更新物质中心点坐标。界面重构采用卿芳等人提出的一种鲁棒的MOF(Moment of Fluid)方法[2]。在重映步提出了基于多边形相交的二阶积分守恒重映方法,该方法分为四个

关键词：间断有限元 MMALE 流体力学方程组中心型

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克服HLLE型黎曼解法器的数值激波不稳定性

克服HLLE型黎曼解法器的数值激波不稳定性

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第十九届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会

作者：沈智军李肖刘立祺计算物理实验室北京应用物理与计算数学研究所中国工程物理研究院研究生院

本文研究以HLLE方法为基础的一些近似黎曼解法器的数值激波不稳定性,这些黎曼解法器包括HLLC型和HLLEM型通量函数。数值实验表明,所有的数值格式,包括其中被广泛认为是稳定的HLLE格式,在强激波放大作用下也出现了数值不稳定现象。线性... 详细信息

本文研究以HLLE方法为基础的一些近似黎曼解法器的数值激波不稳定性,这些黎曼解法器包括HLLC型和HLLEM型通量函数。数值实验表明,所有的数值格式,包括其中被广泛认为是稳定的HLLE格式,在强激波放大作用下也出现了数值不稳定现象。线性矩阵稳定性分析表明,对于给定的数值格式,存在一个与激波强度无关的阈值。如果数值激波结构中某一特定界面的密度比超过阈值,不稳定机制将会被触发。调整这些数值格式中的非线性波速,可以改变激波层中粘性解的行为,降低特定界面上的密度跃迁程度。从而有效地改善HLLE型近似黎曼解法器的数值激波不稳定。

关键词： HLLE格式黎曼解法器数值激波不稳定性稳定性分析波速估计

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高速可压与多相复杂流体系统非平衡效应的离散Boltzmann建模与模拟

高速可压与多相复杂流体系统非平衡效应的离散Boltzmann建模与模拟

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：甘延标许爱国林传栋赖惠林张玉东北华航天工业学院福建师范大学数学与信息学院北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室中山大学中法核工程与技术学院郑州大学力学与安全工程学院

物质世界是多尺度、非平衡的。如何实现从微观到宏观的跨尺度关联是多尺度物理力学的核心问题之一。非平衡统计力学是联系微观运动与宏观运动的桥梁;粗粒化建模是非平衡统计力学的基本手段。本报告简要介绍近年来课题组在高速可压与多... 详细信息

物质世界是多尺度、非平衡的。如何实现从微观到宏观的跨尺度关联是多尺度物理力学的核心问题之一。非平衡统计力学是联系微观运动与宏观运动的桥梁;粗粒化建模是非平衡统计力学的基本手段。本报告简要介绍近年来课题组在高速可压与多相复杂流体离散Boltzmann建模(Discrete Boltzmann Modeling,DBM)和模拟研究方面的进展,主要包括:(1)高速可压与多相复杂流体系统不同层级非平衡效应的DBM建模、模拟与分析;(2)非平衡程度的多角度描述(Kn数、粘性、热传导、基于非平衡量相空间中距离定义的非平衡强度等)与细粒化表征-相对非平衡程度;(3)基于非平衡行为与形态分析技术相结合的特征结构或模式的物理甄别与追踪技术设计方法,及其在流体不稳定性系统混合程度和发展速率表征、非平衡相变中失稳分解和相畴增长两个阶段划分,粘性、热传导、Pr数效应、可压效应、不同非平衡行为之间的关联、竞争与协同研究中的应用。

关键词：高速可压流体多相复杂流体多尺度非平衡离散玻尔兹曼方法

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燃烧多相流系统的DBM建模方法研究进展

燃烧多相流系统的DBM建模方法研究进展

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：许爱国张玉东甘延标林传栋陈锋赖惠林张戈北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室郑州大学力学与安全工程学院北华航天工业学院中山大学中法核工程与技术学院山东交通学院航空学院福建师范大学数学与信息学院

燃烧多相流系统内至少存在4个时间尺度:热力学弛豫时间τ、流动模式的时间尺度t、液气相变的时间尺度t、化学反应的时间尺度t。首先,流动模式快,液气相变快,化学反应快,都会导致相应过程中热力学非平衡程度高。同时,这4个时间尺度当中,... 详细信息

燃烧多相流系统内至少存在4个时间尺度:热力学弛豫时间τ、流动模式的时间尺度t、液气相变的时间尺度t、化学反应的时间尺度t。首先,流动模式快,液气相变快,化学反应快,都会导致相应过程中热力学非平衡程度高。同时,这4个时间尺度当中,任何2个靠得较近,都会导致相应的两个过程产生强耦合,从而使得系统行为更加丰富、复杂。从4个时间尺度中任取2个进行比较,可构造6个无量纲参数。如果我们约定,小的做分子,大的做分母,则这6个无量纲参数中,有一个是Knudsen （Kn）数。除了Kn数,另外5个无量纲参数的效应也值得关注和研究。对于这些满足一定条件就必定会发生的物理现象,人们的处理原则是:有利则强之,有害则抑之。我们工程中目前遇到的是哪种情形?是我们最期望的吗?在介质选择、构型选择、热力控制等参数选取方面,如何使系统行为朝着我们更加期望的方向发展?更加合理地利用或有效地控制,其前提是对其发生、发展过程中各个阶段的特征、机制和规律有个清晰的认识。本报告基于上述背景简要介绍离散玻尔兹曼建模（Discrete Boltzmann Modeling,DBM）方法的研究进展。

关键词：燃烧多相流多尺度非平衡离散玻尔兹曼方法

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相邻双侧边盖驱动方腔流动的三维线性整体稳定性

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气体物理 2018年第3期3卷 1-8页

作者：胡军李杰权北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京100088

文章考察了相邻双侧边盖驱动方腔流动(即上壁面向右运动和左侧壁面向下运动)的三维线性整体稳定性.首先,采用Taylor-Hood有限元方法并经由Newton迭代过程计算得到双侧边盖驱动方腔流动的二维稳态基本流.其次, Taylor-Hood有限元在Chebys... 详细信息

文章考察了相邻双侧边盖驱动方腔流动(即上壁面向右运动和左侧壁面向下运动)的三维线性整体稳定性.首先,采用Taylor-Hood有限元方法并经由Newton迭代过程计算得到双侧边盖驱动方腔流动的二维稳态基本流.其次, Taylor-Hood有限元在Chebyshev Gauss配置点上进行离散,同时Gauss配置点也可以用于线性稳定性方程的高阶有限差分格式离散.然后,离散得到的矩阵形式的广义特征值问题可以结合shift-and-invert算法采用隐式重启Arnoldi方法计算.最后,通过对线性稳定性方程特征值的计算,发现了一个最不稳定的驻定模态和两对对称行波模态.最不稳定的三维驻定模态的临界Reynolds数为Re_c=261.5,远远小于二维不稳定的临界Reynolds数Re_c^(2d)=1 061.7.通过画出这3类三维不稳定模态的流向扰动速度和扰动涡量的空间等值面图像,可以发现不稳定扰动位于稳态基本流的两个主涡区域,因此可以认为主涡区域是三维扰动失稳的主要能量来源地.

关键词：边盖驱动方腔流动整体稳定性临界Reynolds数行波模态 Taylor—Hood有限元

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强冲击下材料动态损伤效应的多尺度数值模拟研究

强冲击下材料动态损伤效应的多尺度数值模拟研究

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第十五届全国物理力学学术会议

作者：陈军向美珍徐云王昆计算物理实验室北京应用物理与计算数学研究所

金属材料的动态损伤效应研究，如层裂、微层裂和绝热剪切带等，是材料损伤研究中重要的研究内容，多年来也吸引了大量的科学家的研究兴趣。材料强冲击下动态损伤效应是一个典型的多尺度行为，其主要机制多需要从材料原子尺度的微结构... 详细信息

金属材料的动态损伤效应研究，如层裂、微层裂和绝热剪切带等，是材料损伤研究中重要的研究内容，多年来也吸引了大量的科学家的研究兴趣。材料强冲击下动态损伤效应是一个典型的多尺度行为，其主要机制多需要从材料原子尺度的微结构出发，研究微结构到宏观动态材料失效行为的演化行为。因此，理解材料在微介观尺度的动态行为是帮助建立宏观损伤物理模型的重要基础。本报告将介绍我们课题组近年来针对金属单晶和多晶材料在强冲击下动态力学效应一系列研究结果。针对绝热剪切带的形成与传播，从分子动力学与有限元结合的多尺度数值模型开展研究，建立了基于原子相互作用的超弹晶体本构模型，揭示了绝热剪切带是一个包含相变、位错、微裂纹和空洞萌生与扩展的过程;针对强冲击下的层裂和微层裂效应，发现材料的层裂和微层裂的主要微观机制与冲击成孔相关，如成核、孔洞生长和级联过程。多晶晶界对材料经典层裂和卸载熔化过程有较大影响，微层裂效应仅是在材料处于局部熔化的条件下发生，包括冲击熔化和卸载熔化条件下。

关键词：多尺度方法剪切带冲击加载金属

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非平衡放热流体的离散玻耳兹曼方法研究

非平衡放热流体的离散玻耳兹曼方法研究

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中国核学会2019年学术年会

作者：林传栋许爱国马宇中山大学中法核工程与技术学院广东珠海519082 北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京100088 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

放热流体广泛存在于自然界和工程应用之中，尤其是在核能工程中，是一种非常重要的常见物理现象.放热流体系统大都涉及从微观尺度的分子碰撞到宏观流动尺度的大窝结构，并且包含复杂的流动力学和热力学非平衡行为，这往往使得传统模拟... 详细信息

放热流体广泛存在于自然界和工程应用之中，尤其是在核能工程中，是一种非常重要的常见物理现象.放热流体系统大都涉及从微观尺度的分子碰撞到宏观流动尺度的大窝结构，并且包含复杂的流动力学和热力学非平衡行为，这往往使得传统模拟方法的适用性面临挑战.传统宏观方法对非平衡效应显著的区域经常存在物理描述能力不足的问题，而微观粒子方法往往由于计算资源的限制难于模拟足够时空尺度的系统.本文构建并使用的离散玻耳兹曼方法(DBM)主要就是针对这一中间尺度(非平衡程度、连续程度)的流体行为.DBM自然继承了玻耳兹曼方程描述和测量非平衡物理系统的部分功能，不仅能够在连续性极限条件下得到与宏观控制方程一致的结果，还能够有效延伸至传统宏观控制方程失效时的更强非平衡区域.同时，该方法具有演化方程形式简单、易于编程处理、稳定性好、适用于并行化处理等优势特点.DBM在非平衡放热流体的应用研究，将有助于从微介观尺度深入理解非平衡物理系统的本质机制和特征规律，并且能够为传统计算方法的改进提供可靠的数值参考和理论支撑.

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