非平衡反应热流的离散玻尔兹曼应用研究

Reactive thermal flows have nonlinear physicochemical processes, interact over various spatio-temporal scales, and involve complex thermodynamic non-equilibrium behaviors. It is usually a great challenge to adopt the traditional method to investigate the reactive thermal flows due to their complexity. This project aims to develop an efficient, accurate and robust discrete Boltzmann method (DBM), and employs it to probe the characteristics of non-equilibrium reactive thermal flows. (I) Construction of the physical model. The DBM not only recovers the macroscopic governing equations, but also has the capability to capture the thermodynamic non-equilibrium effects. The discretization in space, time and velocity is optimized, and the computational efficiency of the parallel program is improved. (II) Investigation of the flow system. The influences of Rayleigh-Taylor and Kelvin-Helmholtz instabilities on the turbulent mixing and thermodynamic non-equilibrium processes of the fluid flow are studied. Non-equilibrium behaviors around material interfaces and chemical reacting zones are compared. Non-equilibrium manifestations under various conditions are analyzed. The above work is helpful to develop the kinetic modeling of chemical reactive flows, investigate essential thermodynamic non-equilibrium behaviors on the micro- and mesoscopic levels, and provide a basic exploratory research for the effective control and efficient utilization of reactive thermal flows.

反应热流具有非线性、多尺度和非平衡等复杂特征，往往对传统方法的适用性提出挑战。本项目拟构建并应用离散玻尔兹曼方法（DBM）模拟研究非平衡反应热流的机制规律。在模型构建方面：DBM即能够恢复宏观控制方程组，又能捕捉热力学非平衡效应；考虑化学反应和（微）重力作用，适应于低速和高速流体系统；优化时间、空间和速度离散格式，提高并行程序的运算效率。在机理探索方面：研究Rayleigh-Taylor和Kelvin-Helmholtz不稳定性对反应热流的湍流混合和热力学非平衡的影响；比较在物质界面和反应区域非平衡行为的特征机制；分析在不同物理参数下的非平衡效应的表现规律。本项目的完成有助于拓展DBM在复杂流体领域的应用研究，从微介观层面深入理解反应热流的物理本质，为反应热流的有效利用提供理论支撑。

化学反应流现象广泛存在于自然界和诸多工程应用领域，一直是国内外学术界的热点研究课题。反应热流具有非稳定、非线性、非平衡和时空多尺度等复杂特征，往往对传统方法的适用性提出挑战。依据非平衡统计物理的基本原理，本项目构建了高效、准确、稳定的离散玻尔兹曼方法（DBM），并将其用于模拟研究了非平衡反应热流的特征规律和物理机制。在物理模型的构建方面：DBM是玻尔兹曼方程在速度空间的特殊离散化形式，继承了玻尔兹曼方程描述非平衡物理系统的重要功能; 通过证明，DBM既能在连续性极限条件下恢复宏观控制方程组，也能包含宏观模型之外的非平衡效应；考虑了化学反应和外力作用，并且同时适应于低速不可压和高速可压缩流体系统；优化了时间、空间和速度离散格式，开发了反应热流的并行程序。在非平衡反应热流的机理探索方面：从动理学的角度揭示了化学反应流系统的精细结构和时空演化特征，从微介观层次研究了在极端复杂条件下系统的流体力学和热力学非平衡效应的物理本质；研究了Rayleigh-Taylor和Kelvin-Helmholtz不稳定性对反应热流的湍流混合和热力学非平衡的影响；研究了在物质界面和反应区域非平衡行为的特征机制；分析了在不同物理参数下的非平衡效应的表现规律。本项目的完成有助于拓展动理学方法在复杂流体领域的应用研究，进一步完善了化学反应流的基础理论，在诸多民用和军用工程应用中具有重要的实际价值，可为相关技术的改进提供可靠的数据参考和基础理论支撑。