微纳、悬浮、多相流动过程的跨尺度建模与模拟

This project aims to develop simulation tool for trans-scale flows, Discrete Boltzmann Model(DBM), for micro/nano, suspension and other kinds of multiphase flows, and study their trans-scale non-equilibrium behaviors. Specifically, aims to (i) develop DBM in Burnett level so as to simulate micro-nano flows, (ii) develop fluid-solid boundary conditions under the environment of strong non-equilibrium flows so as to simulate suspension flows; (iii) develop DBM where the external force term is constructed according to inter-atomic potential so as to simulate deeper non-equilibrium flows; (iv) study the criteria for non-equilibrium strength and switching discrete velocity models so as to realize adaptive trans-scale DBM modeling; (v) investigate new behaviors in complex flows, including the transportation behaviors like viscous stress and heat conductivity, non-equilibrium phase transition, interfacial tension effects, hydrodynamic instabilities, etc. so as to obtain deeper physical mechanisms. Key techniques include constructing DBM in Burnett level, constructing the external force model according to the inter-atomic potential and modeling the fluid-solid interaction. The fulfilling of this project will advance the modeling and simulation of multi-scale non-equilibrium flows, will deepen the kinetic understanding on complex flows, and will present theoretical and technical supports for the precise designs of a variety of industrial equipments.

本项目拟针对微纳、悬浮及其他多相复杂流系统，进一步发展跨尺度流动模拟工具—离散玻尔兹曼模型（DBM），研究流体跨尺度非平衡特性。具体内容包括：（1）发展Burnett层次的DBM以适应微纳尺度流模拟。（2）发展强非平衡流动下的流固耦合处理方法以满足颗粒悬浮流模拟。（3）发展基于分子间作用势的DBM外力模型，以完善更强非平衡的多相流模拟。（4）研究非平衡程度判据，提出实用的离散速度模型切换准则，以实现DBM自适应跨尺度模拟。（5）研究上述非平衡复杂流动中的特殊现象，揭示其深层物理机制。具体包括：动量流和热流等输运行为、非平衡相变、表面张力效应、流体不稳定性等。其中技术关键包括:Burnett层次DBM建模、基于分子势DBM外力建模和流固耦合边界处理。本项目的完成将推动多尺度非平衡多相流模拟能力的进一步发展，加深对复杂流体系统行为的动理学认识，为一系列工业设备的精细化设计提供理论和工艺指导。

针对微纳、悬浮及其他多相复杂流系统，进一步发展跨尺度流动模拟工具—离散玻尔兹曼模型（DBM），在复杂流体跨尺度非平衡特性方面获得一系列新的认识。具体内容包括：（1）发展Burnett层次的DBM以适应微纳尺度流模拟；（2）在DBM中引入示踪粒子，实现了DBM与示踪粒子的耦合建模与模拟；（3）发展了基于分子间作用势的DBM外力模型，用于更强非平衡的多相流模拟；（4）研究了非平衡程度判据，在部分模拟中根据需要实现DBM的自适应跨尺度模拟；（5）研究上述非平衡复杂流动中的一些特殊现象（例如方腔流中的“热倒流”现象），揭示了其深层物理机制---典型的热力学非平衡特征之一；（6）借助光滑粒子动力学（SPH）方法，对相关复杂流动展开研究，获得一些新认识。项目执行过程中，重点攻克的技术关键包括Burnett层次的DBM建模、基于分子势的DBM和DBM与示踪粒子的耦合建模等。发表研究论文27篇（包括研究综述3篇）,取得2个软件著作权证书。4名博士后出站、2名博士生和1名硕士生毕业，另有几位博士生、硕士生在读。完成3次国际会议学术报告（含1次邀请报告）、14次国内会议邀请报告、14次高校科研院所专题学术报告，应邀在“复杂系统与统计物理学的挑战和新机遇”秋季高级研讨班授课1次。本项目的研究成果推动了多尺度非平衡多相流模拟能力的进一步发展，加深了对复杂流体系统行为的动理学认识，有望为一系列工业设备的精细化设计提供理论和工艺指导。