非平衡与多相复杂系统：离散Boltzmann方法与应用

This project aims to develops methods like the Discrete Boltzmann (DB) , and study the nonequilibrium and multiphase flows.The developed DB models will make a breakthrough in modeling systems with general equation of state, systems with adaptive flow velocity,compressibility and temperature. We plan to study the hydrodynamic interfacial instabilities, nonequilibrium phase transitions, interactions between shock wave and multiphase flows, the transitions between deflagration and detonation in combustion phenomena, etc. The main focuses are the local structures with strong nonequilibrium effects and their influences. For example, (i) the interfacial tension, interface structures and their evolutions, as well as possible effects in stablizing the interfacial instabilities, (ii) the competetion between phase transition and mechanical procedures in the transition zones, (iii) the competetion between the mechanical process and the process of chemical reaction in the active zones. Via studying the responses to nonequilibrium driving forces we try to understand the limitations of traditional fluid mechanics, improve the macroscopic physical modeling, and finally present a set of consistent and effective methods to describe and measure the nonequilibrium behaviors. The key techniques include the identification of characteristic structures, extraction of the characteristic length scales and description of the nonequilibrium effects. The fulfilling of this project will advance the multiscale physical modeling and investigation of complex systems, will present technical supports for the refinement of weapon designs and progress of industrial technologies.

本项目发展离散玻尔兹曼(DB)等方法，研究非平衡与多相复杂系统。突破传统流体模型不易描述热力学非平衡行为和效应的局限性，发展适应一般状态方程系统、对流速、温度和可压性具有自适应性的DB模型。研究武器物理及众多工业领域关注度极高的流体界面不稳定性问题、非平衡相变及冲击波与多相流的相互作用、燃烧过程中的爆燃转爆轰及其反过程等。重点关注非平衡效应较强的局域结构及其影响：如表面张力和界面结构的演化特征与可能的致稳效应、相变过渡区相变过程和力学过程的竞争、化学活性区力学与化学反应进程之间的竞争。通过研究非平衡驱动力与响应之间的关系来理解传统流体描述的局限性，改进宏观物理建模，为非平衡行为的描述和度量提供一套有效的方法。关键技术包括复杂过程中特征结构的识别、特征尺度的提取和非平衡效应的描述。本项目的完成将有助于推进复杂系统多尺度物理建模与研究，为武器精密化设计和改进工业工艺提供技术支撑。

为了突破传统流体模型在非平衡与多相复杂系统研究中不易充分描述热力学非平衡行为和效应的局限性，进一步发展了离散玻尔兹曼等方法。构建了适应一般状态方程系统、对流速、温度和可压性具有自适应性的离散波尔兹曼模型（DBM）；研究了武器物理及众多工业领域关注度极高的流体界面不稳定性问题、非平衡相变及冲击波与多相流的相互作用、燃烧过程中的爆燃转爆轰及其反过程等；在所有研究中都重点关注了非平衡效应较强的局域结构及其影响；复杂过程中特征结构的识别、特征尺度的提取和非平衡效应的描述方法得到了进一步发展。在多相流与非平衡相变研究方面，发现非平衡强度为相分离这一非平衡相变过程“亚稳相分解”和“新相畴增长”这两个阶段的划分提供了一个方便有效的物理判据；表面张力的作用有三：减速亚稳相分解阶段；加速新相畴增长阶段；降低最大热动非平衡强度。在燃烧与爆轰研究方面，分别研究了单流体和双流体、单弛豫和多弛豫时间DBM。发现，无组织动量流NOMF与Navier-Stokes(NS)应力对应，无组织能量流NOEF与NS热流对应；获得了熵增率与NOMF、NOEF和反应率的关系式；对不同反应速率温度依赖特性的爆轰情形进行了模拟；分别从宏观量、非平衡特性和熵产生三个方面对不同反应速率特性的爆轰特性进行对比分析； 重点讨论了在我们所采用的反应速率模型和爆轰条件下，反应速率的负温度效应对爆轰过程中的影响。在流体不稳定性研究方面，发现了RT与RM演化过程中的一系列竞争与合作，在可压效应、粘性效应、热传导效应、非平衡驱动与响应方面获得一系列新的认识。发表研究论文22篇（包括研究综述3篇、专著章节1章）。2名博士后、3名博士生、2名硕士生通过参研本项目获得培养。完成5次国际会议邀请报告、15次国内会议邀请报告、25次高校科研院所专题学术报告和1次暑期学校特邀讲座。本项目中DBM等方法的发展为改进宏观物理建模和宏观-介观联合的跨尺度模拟提供了现实、可行的思路；研究结果为武器精密化设计和改进工业工艺提供理论支持。