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基于Cahn-Hilliard相场方程的气体动理学格式

钟豪, 朱炼华, 包进, 郭照立

计算物理 2025, 42 (2): 171-181. DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8862

摘要（46）

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PDF （5287KB）（205）

在有限体积的框架下, 构造基于Cahn-Hilliard相场方程的气体动理学格式, 其界面通量由Chapman-Enskog一阶近似确定。进一步证明提出的模型可准确恢复至Cahn-Hilliard方程。通过若干算例对该模型进行测试, 并与相应的格子玻尔兹曼方法进行对比。结果表明, 该模型在界面捕捉方面具有较好的精度和数值稳定性。本文的研究拓展了气体动理学格式在相场理论的应用, 并为两相流体系统的模拟提供了方案。

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两平板间两组分稀薄气体振荡传热的数值模拟

万启坤, 张月, 郭照立

计算物理 2023, 40 (6): 653-665. DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8671

摘要（125）

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PDF （9835KB）（405）

采用离散统一气体动理学方法(DUGKS)求解两组分气体McCormack模型, 模拟下板温度周期波动激发的两平板间两组分稀薄气体流动与传热问题, 分析系统稀薄参数、温度变化频率以及组分摩尔浓度对平板间流动与传热现象的影响。数值结果表明: 两平板间气体流动与传热呈现周期变化, 并且平板间存在最小局部温度的现象, 其位置与系统稀薄程度呈正比, 此外热渗透深度随着稀薄参数的减小而减小。热渗透深度随轻组分浓度的增大而先增大, 在轻组分浓度为0.6左右达到最高值, 最后减小并与单组分气体结果一致。

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从噪声数据学习偏微分方程的复合神经网络

潘剑, 郭照立, 陈松泽

计算物理 2022, 39 (2): 223-232. DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8364

摘要（315）

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PDF （9193KB）（1121）

提出一种名为NN-PDE(neural network-partial differential equations)的复合神经网络方法, 用于噪声数据预处理和学习偏微分方程。NN-PDE用一套神经网络负责数据预处理, 另一套网络耦合备选的方程信息, 进而学习潜在的控制方程。两套网络复合为一套网络, 可更加高效地处理噪声数据, 有效减小噪声的影响。使用NN-PDE学习多种物理方程(如Burgers方程、Korteweg-de Vries方程、Kuramoto-Sivashinsky方程和Navier-Stokes方程)的噪声数据, 均可获得准确的控制方程。

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精细平衡气体动理学格式

邹兴, 陈松泽, 郭照立

计算物理 2020, 37 (6): 653-666. DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8158

摘要（332）

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PDF （10674KB）（1205）

流体系统在重力作用下，流体压力可与重力相平衡，达到静力平衡状态.常规的有限差分和有限体积方法无法在离散尺度上保持这种平衡态，常常产生虚假速度等非物理现象.通过将重力源项的体积分改写为网格界面值的加权平均，实现离散条件下压力与重力的精细平衡，得到一种Navier-Stokes （NS）方程的精细平衡气体动理学格式.该格式可以在机器精度上精确地保持等温条件下的静力平衡态以及捕捉平衡态附近的小扰动传播.同时，该格式还能求解自然界中更常见的非等温平衡态.此类平衡态除了要求静力平衡还要求热流平衡.利用提出的格式求解NS方程，可以得到静止（机器精度下的零速度）的非等温平衡态，并且密度和温度分布都具有二阶精度.通过多个算例验证格式的有效性，表明该格式可更好地模拟重力场下的温度、密度的分层流动.

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多孔介质中非等温互溶流体驱替过程的格子Boltzmann研究

居隆, 张春华, 陈松泽, 郭照立

计算物理 2019, 36 (6): 648-658. DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.7963

摘要（399）

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PDF （17718KB）（1542）

利用格子Boltzmann方法，在孔隙尺度上对多孔介质内非等温混溶驱替过程进行数值研究，定量分析温度粘性膨胀系数（β_T）以及路易斯数（Le）对界面不稳定性和驱替效率的影响.结果表明：随着β_T的增大，界面不稳定性增强，驱替效率降低.当β_T>0时，随着Le的增大，界面不稳定性减弱，驱替流体与被驱替流体之间的界面趋于平缓，指尖残余率减小，驱替效率增大.当β_T<0时，Le对于驱替效率的影响相反.

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气体动理学格式模拟多孔介质流动的可行性

曾伟, 陈松泽, 郭照立

计算物理 2019, 36 (5): 551-558. DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.7922

摘要（334）

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PDF （9037KB）（1268）

将气体动理学格式（GKS）拓展到模拟多孔介质内的低速渗流，并检验在孔隙尺度上模拟不可压缩低速流动的可行性与有效性.结果表明：GKS具有二阶空间精度，能够较精确地计算多孔介质的渗透率；相比于单松弛格子玻尔兹曼方法，GKS能够精确实现壁面无滑移边界条件，从而正确反映渗透率与黏性无关的特性；对于Berea砂岩切片结构中的复杂流动，模拟结果与实验吻合较好，能较精确地计算渗透率.给出GKS模拟达西渗流的马赫数选取准则，为研究多孔介质流动提供新的工具.

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表征体元尺度渗流的离散统一动理学格式

陈玺君, 郭照立

计算物理 2019, 36 (4): 386-394. DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.7876

摘要（348）

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PDF （10601KB）（1298）

结合表征体元尺度的通用渗流模型，提出离散统一动理学格式（DUGKS）渗流方法，分别用均匀网格和非均匀网格计算二维Poiseuille、Couette、方腔流等经典渗流问题，检验DUGKS渗流方法的有效性和非均匀网格应用的优势，将DUGKS渗流方法应用到裂缝系统中.

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多孔介质中化学反应对非等粘流体混合过程影响的格子Boltzmann研究

雷体蔓, 孟旭辉, 郭照立

计算物理 2016, 33 (4): 399-409.

摘要（649）

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PDF （4015KB）（1795）

利用格子Boltzmann方法和GPU计算技术，在孔隙尺度上模拟多孔介质中包含界面化学反应的粘性指进现象，定量分析化学反应对流体混合的影响.采用单浓度变量的双稳态模型来描述界面反应，而各向同性的多孔介质则通过四参数法生成.研究发现化学反应能减小指进界面厚度，抑制流体的混合，甚至会出现反混合现象，并且随着反应速率的增加，影响越明显.

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振动纤维捕集颗粒的格子Boltzmann模拟

张浩龙, 陶实, 郭照立

计算物理 2016, 33 (3): 311-321.

摘要（362）

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PDF （7303KB）（1180）

采用格子Boltzmann方法对振动纤维捕集颗粒进行数值研究.纤维附近采用多块网格加细技术计算,颗粒采用Lagrange跟踪方法模拟.研究雷诺数为200的流向振动纤维绕流的AⅡ、AⅢ、AIV、S四种涡结构下的亚微米煤粉颗粒的捕集问题.结果表明纤维的流向强迫振动能够显著提高颗粒的捕集效率.且迎风面的捕集效率提升不大,背风面的提升则更为显著.颗粒撞击角度的统计反映了背风面捕集效率提升的细节.另外流动处于AⅢ模态时,每个周期内脱落两个正涡一个负涡,被捕集颗粒的初始位置分布不对称.而其它模态基本关于流场中心对称.

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微通道内反应流体粘性指进的数值研究

雷体蔓, 孟旭辉, 郭照立

计算物理 2016, 33 (1): 30-38.

摘要（530）

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PDF （954KB）（1353）

采用格子Boltzmann方法数值模拟化学反应中混溶流体在微通道中的粘性指进现象.模拟采用单浓度变量的双稳态化学反应模型，重点研究指进的形态位置随化学反应速率和稳态浓度参数（即无化学反应发生的界面浓度）的变化.结果表明：随着反应速率的增加，指进界面变薄；而稳态浓度参数的变化则影响反应区的分布以及反应速率，导致指进形态以及位置的改变，甚至出现指尖液滴分离.

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多孔介质内混溶流体间粘性指进现象的格子Boltzmann模型

金鑫, 刘高洁, 郭照立

计算物理 2015, 32 (4): 423-430.

摘要（368）

PDF （2614KB）（1502）

提出一个模拟多孔介质内混溶流体间粘性指进现象的格子Boltzmann模型.采用双分布函数分别求解压力场和浓度场.在浓度场平衡态分布函数中引入与浓度扩散相关的参数.通过调节参数,使粒子碰撞过程中的松弛时间保持恒定.模拟了粘度相同的流体间的混相驱替问题.不同网格下的模拟结果均与解析解吻合良好,验证了模型的可行性.进一步研究粘度比和贝克莱数(Pe)对粘性指进现象的影响.结果显示,增大粘度比会促进"手指"的增长.当粘度比不变时,存在Pe的临界值.当Pe超过临界值时,"手指"前缘会出现分裂现象.对横向平均浓度场的研究显示,混合区域的长度随时间的变化分为两个阶段,它首先随着t^1/2成线性增长,然后随着t成线性增长.

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基于格子Boltzmann方法的多孔介质流动模拟GPU加速

朱炼华, 郭照立

计算物理 2015, 32 (1): 20-26.

摘要（668）

PDF （1861KB）（1703）

利用NVIDIA CUDA平台,在GPU上结合稀疏存贮算法实现基于格子Boltzmann方法的孔隙尺度多孔介质流动模拟加速,测试该算法相对基本算法的性能.比较该算法在不同GPU上使用LBGK和MRT两种碰撞模型及单、双精度计算时的性能差异.测试结果表明在GPU环境下采用稀疏存贮算法相对基本算法能大幅提高计算速度并节省显存,相对于串行CPU程序加速比达到两个量级.使用较新构架的GPU时,MRT和LBGK碰撞模型在单、双浮点数精度下计算速度相同.而在较上一代的GPU上,计算精度对MRT碰撞模型计算速度影响较大.

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管道中CaO颗粒吸收CO₂的格子Boltzmann方法模拟

孟旭辉, 王亮, 郭照立

计算物理 2014, 31 (2): 173-184.

摘要（338）

PDF （3936KB）（1249）

采用格子Boltzmann方法对多孔CaO颗粒与CO₂之间的气固反应过程进行模拟.主要研究在二维矩形截面管道中雷诺数(Re)和孔隙率对单个CaO颗粒吸收CO₂效率的影响.结果表明:增大Re会相应提高CaO颗粒吸收CO₂气体的效率.同时对于同一Re,CaO颗粒吸收CO₂气体的效率随其孔隙率呈非线性变化,这是由于不同孔隙率颗粒固体量和渗透率存在差别因而影响化学反应的速率.

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格子Boltzmann方法中三种流固耦合格式的对比

黄荣宗, 王亮, 郭照立

计算物理 2012, 29 (6): 799-806.

摘要（497）

PDF （757KB）（1084）

详细对比分析模拟流固两相流的格子Boltzmann方法中三类不同的流固耦合格式(半反弹方法、亚网格方法和曲边界方法)的特点,发现半反弹方法所获得的速度、角速度存在较大的扰动,而亚网格颗粒方法则能够获得平滑的发展曲线.

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方腔内微细颗粒物运动特性的格子Boltzmann方法模拟

蔡新桃, 郭照立, 郑林, 郑楚光

计算物理 2011, 28 (3): 355-360.

摘要（253）

PDF （365KB）（1086）

对Masselot and Chopard提出的模拟气固两相流动的格子Boltzmann-格子气(LBE-LGA)方法进行推广,能够反映两相间拖曳作用.利用该方法研究封闭方腔内的气固两相流运动特性,分析斯托克斯数St和模拟颗粒数目对颗粒群运动的影响,并与文献结果进行比较,表明LBE-LGA方法模拟颗粒运动是可行的.

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致密多孔介质中气体渗流的格子Boltzmann模拟

王华龙, 柴振华, 郭照立

计算物理 2009, 26 (3): 389-395. DOI: 10.3969/j.issn.1001-246X.2009.03.008

摘要（409）

PDF （413KB）（1593）

为了能用格子Boltzmann方法来正确地刻画致密多孔介质中微尺度流动问题,对单通道模型进行推广,并将其应用于孔隙群里气体渗流的数值模拟.通过对部分具有代表性的多孔介质中的实际流动问题进行模拟,研究渗透率与平均压力和Knudsen数之间的相互关系.基于理论分析及相关文献中的试验结果,验证模拟结果,为用格子Boltzmann方法深入研究气体渗流问题奠定基础.

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双扩散自然对流的格子Boltzmann模拟

郭照立, 李青, 郑楚光

计算物理 2002, 19 (6): 483-487.

摘要（348）

PDF （348KB）（1348）

建立了一个模拟双扩散自然对流系统的格子Boltzmann模型,用此模型对受温度和浓度梯度驱动的方腔流动进行了模拟,研究了浓度Rayleigh数对传热传质的影响,并与其它文献的结果进行了比较.

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基于区域分裂的非均匀Lattice Boltzmann方法

郭照立, 施保昌, 王能超

计算物理 2001, 18 (2): 181-184.

摘要（347）

PDF （146KB）（1337）

基于区域分裂技术,设计了一种使用非均匀网格的Lattice Boltzmann(LB)模型.其基本思想是:将流场分解为若干个规则的子区域,在每个子区域使用均匀网格上的LB模型求解,子区域的边界条件利用插值方法决定.用该模型对二维圆柱绕流问题进行了模拟,并与其它方法的结果作了比较.

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