剪切、冲击作用下多相流系统的格子玻尔兹曼建模与模拟

Multiphase flows under shear and/or shock are typical nonlinear, nonequilibrium, multiscale complex systems. The lattice Boltzmann method (LBM), based on statistical physics, is particularly suitable for modeling and simulating such systems. This project aims to develop LBM and apply it to investigate behaviors of multiphase flows. The main content and technical routine are as follows: (i) Introducing more realistic nonideal-gas equation of states based on the external force approach; Propose multiple-relaxation-time LB model for multiphase flows with large density ratio to realize the simulation of phase separation or mixing; (ii) Study the Kelvin-Helmholtz instability (KHI) induced by shear via the new model. Effects of surface tension, heat conduction, compressibility and Prandtl number on the evolution of KHI are our main concerns; (iii) Investigate the jetting phenomenon and evolution of hot spots during collapsing of cavities under shock; Examine similarities of Turing patterns of characteristic physical quantities under various shocking/initial conditions. Our focuses are various nonequilibrium behaviors of the system ignored by the traditional hydrodynamic descriptions. To describe and pick up information from the complex physical fields effectively, we will employ the morphological analysis which is based on the Minkowski functionals to characterize the Turing maps of state variables. The fulfillment of this project will help to extend the LBM to study multiphase flows and provide physical supports for related engineering applications.

剪切、冲击作用下的多相流系统是典型的非线性、非平衡、多尺度、复杂系统。基于统计物理的格子玻尔兹曼方法(LBM)对该类问题的建模与模拟具有天然的自适应性。本项目发展LBM并将其用于多相流系统的研究。主要研究内容和技术路线为：（1）基于外力方法，引入更实际的非理想气体状态方程，构建适用于大密度比的多松弛因子LB模型，实现相分离、复合的模拟；（2）利用上述模型研究剪切作用下的开尔文-赫姆霍兹不稳定性，考察表面张力、热传导、压缩性、普朗特数对其发展机理的影响；（3）考察冲击作用下气泡塌缩过程中的射流和热点演化规律。设置不同冲击强度和初始条件，寻找物理特征量斑图动力学行为的相似性，关注传统流体力学描述所忽视的若干非平衡效应；（4）在数据处理与规律提取中，采用基于闵可夫斯基泛函的形态分析技术，实现复杂物理场信息的有效提取。课题的完成将推进多相流介观模拟方法的发展，为相关的工程应用提供物理支持。

本项目发展和使用基于非平衡统计物理的格子玻尔兹曼方法，研究剪切、冲击、淬火等作用下的复杂多相流系统，获得了一系列特征、机制和规律。具体如下：(1)提出了任意维、满足任意矩关系的、高效、高速可压LB模型的统一构建方法；(2)构造了高效热多相流LB模型，研究了等温与非等温相分离、混合等复杂流动过程；(3)进一步构造了适用于大密度比、可压多相流系统的LB模型，基于该模型提出了利用LB研究多相流系统流动和热动非平衡效应的具体方案；基于非平衡强度给出了区分相分离过程中亚稳相分离和相区融合阶段的物理判据；理论推导了非平衡效应的表达式，提出了LB建模合理程度的物理判据和基于LB实现多尺度建模的可行性和方案；(4)研究了热相分离的粘性、热传导和Prandtl数的非平衡效应，利用线性理论分析验证了模拟结果；(5)利用LB研究了剪切作用下理想气体和多相流系统的Kelvin-Hemholtz不稳定性，定量考察了粘性、热传导、表面张力和相变效应及其非平衡特征；(6)研究了冲击波与多相流的相互作用，发现与热致相分离相反的冲击相混合现象。将形态分析技术应用于冲击多相流的动态物理场分析中，定量研究了冲击强度效应。上述工作推动了复杂多相流体系统介观建模与模拟方法的发展，为相关工程应用提供了理论支持。项目执行期间共发表研究论文10篇，获教育部自然科学二等奖1次。