保物理特性相场-LBM耦合模拟方法及其在铁磁流体界面不稳定性问题中的应用

Phase field-lattice Boltzmann method (LBM) is one of the most effective modeling and simulation methods for multiphase systems. Two-phase ferrofluid flow and its interfacial instabilities are a frontier of many interdisciplinary studies，and a common fundamental scientific problem in many engineering applications. The project aims to develop a physical properties-preserving phase field-lattice Boltzmann method, extend the modified model to simulate two-phase ferrofluid flow, and give a detailed analysis for the normal field instability and the Kelvin-Helmholtz instability of ferrofluid. The major study context in this project includes those：(1) We plan to develop a phase field model which can ensure the mass conservation of each phase and eliminate the nonphysical oscillatory of the order parameter. The corresponding phase field-LBM will be built up. (2) The improved phase field-LBM will be extend to simulate the two-phase ferrofluid flow under the external applied magnetic field. The effective adaptive mesh technique will be considered. (3) The improved model will be used to investigate the normal-field instability and the Kelvin-Helmholtz instability of ferrofluid. The mechanisms of occurrence and growth of instabilities will be summarized. The implementation of the project will improve the theory study of the phase field method and LBM, and provide theoretical support for the application of ferrofluid.

相场-格子Boltzmann方法（LBM）是多相流体系统极为有效的建模和模拟方法之一。铁磁流体两相流及其界面不稳定性是众多交叉学科的研究前沿，也是许多工程应用领域的共性基础科学问题。本项目旨在发展保物理特性的相场-LBM，并将改进的方法应用于铁磁流体的两相流动的模拟，对铁磁流体normal-field和 Kelvin-Helmholtz两类界面不稳定性进行细致的分析。主要内容包括：构造保证各相质量守恒、抑制序参数非物理振荡的相场模型，并建立相应的基于LBM的稳定计算格式；构造磁场作用下铁磁流体两相流动的改进的相场-LBM，并发展高效的网格自适应技术；应用改进的方法对铁磁流体normal-field界面不稳定性、 Kelvin-Helmholtz界面不稳定性进行模拟，并总结其发生、增长规律。该项目的实施将提升相场模型和LBM的自身理论发展水平，并为铁磁流体应用的深化和广化提供理论支撑。

相场—格子Boltzmann方法(LBM)是近年来一种极为流行的多相流体系统的建模和模拟方法。本项目在相场-LBM的数值算法和复杂多相流动的问题研究方面开展了一系列的研究，主要成果如下：1. 提出了一种改进的Cahn-Hilliard相场-LBM，通过添加Lagrange乘子，能同时保证两相总质量守恒和各相体积守恒成立。2. 提出了一种混合相场-LBM，其扩散通量为局部和非局部Allen-Cahn模型的线性组合，能有效消除序参数的小幅度振荡，避免体相区的数值色散效应。3. 构造了一种能模拟任意组分数量多相流的相场-LBM，采用梯度流和变分方法给出了界面捕捉、表面张力计算等的实施方法。4. 发展了一种模拟热毛细流的相场-LBM，能处理大密度比、热物性参数不同的情形，并给出了热毛细流一个新的非稳态解析解。5. 构造了一种处理界面输运的新型扩散界面-LBM，能极大提高模型的稳定性，且能控制界面上解的光滑性。6. 发展了磁场作用下的颗粒流的改进的格子Boltzmann模型，并研究了不同磁场控制下磁性颗粒结构的演化规律。上述工作均已撰写成学术论文，发表在Int. J. Heat Mass Tran, Comput. Fluid, Phys. Rev. E, Int. J. Multiphase Flow等国际期刊。该项目的顺利实施提升了相场模型以及LBM的理论研究水平，并为复杂多相流相关的工程设计提供理论依据。