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第十六届全国交叉科学会议

作者：许爱国张广财北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点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

自然界、国防与工业领域诸多问题的研究依托于复杂流体系统的建模与模拟。这类系统的物理建模、算法设计与特征分析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。在爆燃、爆轰等复杂过程中,化学... 详细信息

自然界、国防与工业领域诸多问题的研究依托于复杂流体系统的建模与模拟。这类系统的物理建模、算法设计与特征分析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。在爆燃、爆轰等复杂过程中,化学反应引起的放热、压缩甚至冲击等过程的介入进一步加剧了系统行为的复杂程度。随着对非平衡相变、冲击、爆燃、爆轰等复杂物理过程认知需求的提高和对系统主要特征、粗线条行为的逐渐了解和掌握,系统内的各种微介观结构与非平衡效应当前正在成为人们日益关注的热点。在Boltzmann方程基础上经过两次重要的粗粒化物理建模得到的离散Boltzmann方法(Discrete Boltzmann Method,DBM)正在成为爆轰等非平衡复杂流动过程的一种全新的动理学描述、建模、模拟和分析方法。本报告综述我们课题组近年来在这一领域的主要进展。内容重点体现:(1)从数学建模角度,DBM模型与传统流体模型的唯一差异就是使用离散Boltzmann方程取代原来的Navier-Stokes方程;但从物理建模角度,一个DBM模型相当于一个传统流体模型外加一个关于热动非平衡效应的粗粒化模型。(2)通过DBM提供的信息,可以建立―无组织动量流‖、―无组织能量流‖、化学反应速率与熵增率之间的关系式。(3)DBM所提供的非平衡特征已经用于特征区域真实分布函数主要特征的恢复、复杂流体系统内各种界面的物理甄别与追踪、相变动理学研究中划分―亚稳相分解‖和―相畴增长‖两个阶段的物理判据、Rayleigh-Taylor不稳定性研究中划分可压效应两个阶段的物理判据。(4)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。

关键词：复杂流体非平衡动理学建模复杂物理场分析

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MFCAV近似Riemann解法器在相容拉氏方法中的熵条件分析

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计算数学 2015年第3期37卷 286-298页

作者：刘妍田保林申卫东茅德康北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100094 上海大学数学系上海200436

对基于MFCAV(Multi Fluid Channel on Averaged Volume)近似Riemann解法器的相容拉氏方法的熵条件进行了分析.结果表明与满足声学形式Riemann解法器的熵不同,前者只能在每个网格边界左、右两侧网格的熵随时间变化的和保证大于零,即能保... 详细信息

对基于MFCAV(Multi Fluid Channel on Averaged Volume)近似Riemann解法器的相容拉氏方法的熵条件进行了分析.结果表明与满足声学形式Riemann解法器的熵不同,前者只能在每个网格边界左、右两侧网格的熵随时间变化的和保证大于零,即能保证整体熵增,但不保证传统意义上的在每个网格中的熵增;而后者不仅保证整体熵增,而且还满足传统意义上的熵增.因此MFCAV的熵增相对声学形式解法器而言要弱一些,由此表明其熵增可能要小些,使得格式的耗散可能要小些.数值算例也验证了分析的正确性.

关键词：熵条件 MFCAV近似Riemann解法器相容拉氏方法

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复杂流动过程的DBM动理学建模与模拟

复杂流动过程的DBM动理学建模与模拟

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第十四届全国物理力学学术会议

作者：许爱国张广财北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京大学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

复杂流体系统的形式各异,广泛存在于自然界和工程物理等领域。基于Navier Stokes的传统宏观流体模型不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为,而微观粒子模拟在时间和空间尺度上往往不能满足实际需求,因此包含大量微介观结构、复杂非平衡... 详细信息

复杂流体系统的形式各异,广泛存在于自然界和工程物理等领域。基于Navier Stokes的传统宏观流体模型不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为,而微观粒子模拟在时间和空间尺度上往往不能满足实际需求,因此包含大量微介观结构、复杂非平衡行为的复杂流动系统的物理建模、算法设计与信息提取均存在较高的挑战性。在Boltzmann方程基础上经过两次重要的粗粒化物理建模得到的离散Boltzmann方法(Discrete Boltzmann Method,DBM)正在成为冲击波、燃烧、流体不稳定性、相变等非平衡复杂流体系统的一种全新的动理学描述、建模、模拟和分析方法。本报告综述本课题组近年来在该领域的主要进展。内容重点体现:(1)从数学建模角度,DBM模型与传统流体模型的唯一差异就是用离散Boltzmann方程取代原来的Navier-Stokes方程,但从物理建模角度,一个DBM模型相当于一个传统的流体模型外加一个关于热动非平衡效应的粗粒化模型;(2)利用DBM提供的信息,可以建立"无组织动量流"、"无组织能量流"、化学反应速率与熵增率之间的解析关系式;(3)DBM所提供的非平衡特征已经用于特征区域分布函数的主要特征恢复、复杂流体系统内各种界面的物理甄别与追踪、相变研究中划分"亚稳相分解"和"相畴增长"两个阶段的物理判据、Rayleigh Taylor不稳定性研究中划分可压效应两个阶段的物理判据等;(4)除了可以从更基本的层面理解相应物理系统的特征、机制和规律外,研究结果可为现有程序或软件中宏观模型的改进(如修正项的构造)提供物理参考。

关键词：复杂流体非平衡动理学建模复杂物理场分析

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基于动理学的低耗散通量分裂格式

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中国科学：数学 2015年第8期45卷 1217-1230页

作者：陈艺冰江松刘娜北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室中物院高性能数值模拟软件中心

通量分裂格式具有简单、稳健等特点而备受大型工程应用CFD软件青睐,但传统的通量分裂格式往往引入过多数值耗散,特别对于接触间断和稀疏波等区域难以给出令人满意的解.本文首先借鉴Toro-Vazquez通量分裂方法的思想,将控制方程的通量分... 详细信息

通量分裂格式具有简单、稳健等特点而备受大型工程应用CFD软件青睐,但传统的通量分裂格式往往引入过多数值耗散,特别对于接触间断和稀疏波等区域难以给出令人满意的解.本文首先借鉴Toro-Vazquez通量分裂方法的思想,将控制方程的通量分裂成对流项和压力项,随后,采用基于通量分裂的动理学方法分别进行离散.其中对流项采用迎风型格式离散,从而提高了接触间断处的分辨率.压力项首先采用NOK(non-oscillation kinetic)格式进行离散,而后为了进一步提高格式精度增加了碰撞项,最终得到一种新的低耗散通量分裂格式(LDK格式).新算法不仅形式简单而且稳健,而且与传统通量分裂方法相比,在接触间断具有更高的分辨率,稀疏波具有更高精度.数值算例给出了新方法与目前多种常用数值算法的比较结果,证实了新方法的良好效果.

关键词：可压缩流通量分裂低耗散动理学

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多相复杂流体中非平衡效应的数值模拟与理论解析:基于离散Boltzmann方法

多相复杂流体中非平衡效应的数值模拟与理论解析:基于离散Boltzma...

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中国物理学会2016年秋季会议

作者：甘延标许爱国张广财赖惠林北华航天工业学院廊坊 065000 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 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 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 100088 福建师范大学数学和计算机科学学院福州 350007

多相复杂流体的特点之一是系统内复杂的受力与丰富的弛豫，而这必然导致千姿百态、丰富多彩的流动(hydrodynamic)与热动(thermodynamic)非平衡行为与效应，很多情况下无法精确地予以描述或解析。本工作通过Chapman-Enskog多尺度展开理... 详细信息

多相复杂流体的特点之一是系统内复杂的受力与丰富的弛豫，而这必然导致千姿百态、丰富多彩的流动(hydrodynamic)与热动(thermodynamic)非平衡行为与效应，很多情况下无法精确地予以描述或解析。本工作通过Chapman-Enskog多尺度展开理论推导了多相流系统中非平衡效应的解析表达式，确定了完备描述非平衡所需要离散平衡态分布函数满足的动理学矩关系，发现共有30个独立分量。

关键词：复杂多相流相流离散Boltzmann模型热动非平衡效应

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非平衡化学反应流系统的离散Boltzmann建模与模拟与分析

非平衡化学反应流系统的离散Boltzmann建模与模拟与分析

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中国物理学会2016年秋季会议

作者：许爱国张广财张玉东北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 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 中国工程物理研究院研究生院北京 10 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 100088 中国工程物理研究院研究生院北京 100088 中国工程物理研究院研究生院北京 100088

非平衡化学反应流广泛于自然界和工程物理等领域。因为基于Navier-Stokes的传统宏观流体建摸不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为，而微观粒子模拟在时间和空间尺度方面往往又不能实际需求，所以包含大量微介观结构、复杂非平衡行为... 详细信息

非平衡化学反应流广泛于自然界和工程物理等领域。因为基于Navier-Stokes的传统宏观流体建摸不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为，而微观粒子模拟在时间和空间尺度方面往往又不能实际需求，所以包含大量微介观结构、复杂非平衡行为的化学反应流系统的物理建模、算法设计与信息提取均存在较强的挑战性！

关键词：非平衡系统化学反应流复杂物理场分析

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可压流体瑞利泰勒不稳定性离散Boltzmann建模

可压流体瑞利泰勒不稳定性离散Boltzmann建模

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第十六届全国交叉科学会议

作者：赖惠林许爱国张广财李德梅北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室福建师范大学数学与计算机科学学院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

本文发展了用于研究可压流体瑞利泰勒(RT)不稳定性的含外力的离散Boltzmann模型(DBM),并对热Couette流问题进行数值模拟并与Riemann解析解进行比较,结果表明该模型可适用可压流体数值模拟.利用该模型对界面间断的可压流体RT不稳定性进... 详细信息

本文发展了用于研究可压流体瑞利泰勒(RT)不稳定性的含外力的离散Boltzmann模型(DBM),并对热Couette流问题进行数值模拟并与Riemann解析解进行比较,结果表明该模型可适用可压流体数值模拟.利用该模型对界面间断的可压流体RT不稳定性进行数值模拟,得到界面初始扰动发展成蘑菇状图形的基本过程.数值结果表明,DBM可用于可压流体RT不稳定性问题的数值研究.

关键词：离散Boltzmann方法瑞利泰勒不稳定性可压流体

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燃烧系统的离散Boltzmann建模与模拟研究进展

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物理学报 2015年第18期64卷 31-56页

作者：许爱国张广财应阳君北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088 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 理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所) 北京100190 爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工大学) 北京100081

燃烧系统的诸多模拟依托于流体建模,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方法.本文简要评述DBM发展的两个方向——Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法和复杂系统的微介观动... 详细信息

燃烧系统的诸多模拟依托于流体建模,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方法.本文简要评述DBM发展的两个方向——Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法和复杂系统的微介观动理学建模.主要介绍在燃烧系统模拟方面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.本文重点传递的信息为:作为复杂系统微介观动理学建模出现的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;它为燃烧等复杂系统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种简洁、有效的方法;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(燃烧等)一大类复杂流体系统的多尺度物理建模.

关键词：离散Boltzmann方法非平衡效应燃烧复杂流体

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非等温相分离的热传导、黏性和Prandtl数效应:格子Boltzmann模拟与理论分析

非等温相分离的热传导、黏性和Prandtl数效应:格子Boltzmann模拟...

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中国核学会2015年学术年会

作者：甘延标许爱国张广财蔚喜军 FDS ear 北华航天工业学院北京应用物理与计算数学研究所国家级计算物理重点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理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所)

利用线性理论分析研究了非等温气液相分离的热传导、黏性和Prandtl数效应。发现热传导加速相分离过程,黏性抑制相分离速度。亚稳态相分离持续的时间t与热传导系数κ、黏性系数η满足如下关系t=a+b/κ,t=c+dη+（eη）,其中a-e均为拟合... 详细信息

利用线性理论分析研究了非等温气液相分离的热传导、黏性和Prandtl数效应。发现热传导加速相分离过程,黏性抑制相分离速度。亚稳态相分离持续的时间t与热传导系数κ、黏性系数η满足如下关系t=a+b/κ,t=c+dη+（eη）,其中a-e均为拟合参数。对于固定的Prandtl数Pr,当系统黏性η小于临界值η时,t与η呈现逆对数关系。当η>η时,对于Pr<1的情形,t随η减小而减小;当Pr>1时,t随η的增加而增加。上述结果同格子Boltzmann模拟结果符合得很好。

关键词：多相流格子Boltzmann 热传导黏性 Prandtl数

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两相流系统的离散玻尔兹曼建模

两相流系统的离散玻尔兹曼建模

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中国核学会2015年学术年会

作者：许爱国张广财甘延标蔚喜军北京应用物理与计算数学研究所国家级计算物理重点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理论物理国家重点实验室(中国科学院理论物理研究所) 北华航天工业学院

本文借助离散玻尔兹曼方程构建液气二相流系统的非平衡相变模型。通过该模型,人们可以同时研究二相流系统的动力学非平衡与相变动理学过程中的热力学非平衡。讨论了测量系统热力学非平衡程度的方案以及研究结果对宏观流体建模的贡献。

关键词：多相流非平衡相变可压流体格子玻尔兹曼离散玻尔兹曼

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