Implementation of a ternary lattice Boltzmann model in LAMMPS
Implementation of a ternary lattice Boltzmann model in LAMMPS
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LAMMPS 中三元格子玻尔兹曼模型的实现
DOI：
10.1016/j.cpc.2023.108898
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发表时间：
2023
影响因子：
6.3
通讯作者：
Schiller, Ulf D.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Arumugam Kumar, Gokul Raman;Andrews, James P.;Schiller, Ulf D.
多组分流体的性质由相行为、流体动力学和界面热力学的相互作用控制。利用这种相互作用的混合物配方是许多基于乳液模板的制造工艺中的一个重要方面。格子玻尔兹曼方法（LBM）已成为模拟复杂流体和软物质中的流体动力学效应的流行方法。在这里，我们提出了三元晶格玻尔兹曼模型的实现，该模型允许模拟三种不混溶流体的混合物。我们以开源包 LAMMPS 的 LATBOLTZ 扩展为基础，并实现了 Semprebon 等人最近引入的三元自由能模型。 [物理。修订版 E 93, 033305 (2016)]。我们通过模拟液体透镜、双乳剂和三元混合物来验证静态和动态特性。通过模拟，我们获得了三元混合物在组成空间中的完整形貌图。我们进一步讨论了该方法在三元薄膜相分离中的应用。 LAMMPS 中三元 LBM 的实现为多组分流体混合物中界面现象和非平衡传输过程的介观模拟提供了巨大的机会。 程序摘要程序标题：修复 lb/multicomponentCPC 库链接到程序文件：https://doi.org/10.17632/gn8znmyxrh.1 开发者存储库链接：https://github.com/uschille/lammps/tree/ternary-lbm 授权条款：GPLv2 编程语言：C++ 上一版本期刊参考：C。丹尼斯顿，N. 阿弗拉西亚比安，M.G.科尔-安德烈、F.E. 麦凯、S.T.T 奥利拉、T. 怀特海德。 LAMMPS 磅/流体修复版本 2：通过晶格玻尔兹曼流体将改进的流体动力学力实施到 LAMMPS 中。计算。物理。 Commun.275, 108318 (2022)。新版本是否取代以前的版本？：否新版本的原因：lb/多组分修复提供了模拟三元流体混合物的新功能。修订摘要：三元自由能格玻尔兹曼模型 [1] 的实现已添加到 LAMMPS 的 LATBOLTZ 扩展中。新功能可通过脚本命令fix lb/multicomponent 获得。问题的性质：多组分流体涉及非局部相互作用，会产生流体-流体表面张力和非理想压力张量。这就需要对标准格子Boltzmann方法进行修改。解决方法：实现扩展了LAMMPS[2]中现有的格子Boltzmann代码，并引入了[1]中介绍的三元算法的数据结构和方法。该代码使用适当的平衡分布对三种流体成分执行流动和碰撞步骤。平衡分布是根据自由能导出的热力学量计算的。其他注释包括限制和异常特征：当前版本的 lb/多组分修复仅限于 D3Q19 晶格。参考文献 [1]C。 Semprebon，T. Krüger，H. Kusumaatmaja。具有可调表面张力和接触角的三元自由能晶格玻尔兹曼模型。物理。修订版 E93, 033305 (2016).[2]C。丹尼斯顿、N. Afrasiabian、M. G. 科尔-安德烈、F. E. 麦凯、S. T. T. 奥利拉、T. 怀特海德。 LAMMPS 磅/流体修复版本 2：通过晶格玻尔兹曼流体将改进的流体动力实施到 LAMMPS 中。计算。物理。通讯 275, 108318 (2022)。
The properties of multicomponent fluids are governed by the interplay of phase behavior, fluid dynamics, and interfacial thermodynamics. A mixture formulation that leverages this interplay is an important aspect in many fabrication processes based on emulsion templating. The lattice Boltzmann method (LBM) has become a popular approach for simulating hydrodynamic effects in complex fluids and soft matter. Here we present an implementation of a ternary lattice Boltzmann model that allows to simulate a mixture of three immiscible fluids. We build on the LATBOLTZ extension of the open-source package LAMMPS and implement a ternary free energy model recently introduced by Semprebon et al. [Phys. Rev. E 93, 033305 (2016)]. We validate the static and dynamic properties by simulating liquid lenses, double emulsions, and ternary mixtures. From the simulations, we obtain the complete morphology diagram of the ternary mixture in composition space. We further discuss an application of the method to phase segregation of ternary films. The implementation of the ternary LBM in LAMMPS opens vast opportunities for mesoscale simulations of interfacial phenomena and non-equilibrium transport processes in multicomponent fluid mixtures.Program summaryProgram Title:fix lb/multicomponentCPC Library link to program files:https://doi.org/10.17632/gn8znmyxrh.1Developer's repository link:https://github.com/uschille/lammps/tree/ternary-lbmLicensing provisions:GPLv2Programming language:C++Journal reference of previous version:C. Denniston, N. Afrasiabian, M.G. Cole-André, F.E. Mackay, S.T.T Ollila, T. Whitehead. LAMMPS lb/fluid fix version 2: Improved hydrodynamics forces implemented into LAMMPS through a lattice-Boltzmann fluid.Comput. Phys. Commun.275, 108318 (2022).Does the new version supersede the previous version?:NoReasons for the new version:The lb/multicomponent fix provides new capabilities for simulating ternary fluid mixtures.Summary of revisions:An implementation of the ternary free-energy lattice Boltzmann model [1] has been added to the LATBOLTZ extension of LAMMPS. The new functionality is available through the script commandfix lb/multicomponent.Nature of problem:Multicomponent fluids involve non-local interactions that give rise to fluid-fluid surface tension and a non-ideal pressure tensor. This requires a modification of the standard lattice Boltzmann method.Solution method:The implementation extends the existing lattice Boltzmann code in LAMMPS [2] and introduces data structures and methods for the ternary algorithm introduced in [1]. The code carries out the streaming and collision steps for three fluid components using the appropriate equilibrium distributions. The equilibrium distribution is calculated based on thermodynamic quantities derived from the free energy.Additional comments including restrictions and unusual features:The current version of the lb/multicomponent fix is restricted to the D3Q19 lattice.References[1]C. Semprebon, T. Krüger, H. Kusumaatmaja. Ternary free-energy lattice Boltzmann model with tunable surface tensions and contact angles.Phys. Rev. E93, 033305 (2016).[2]C. Denniston, N. Afrasiabian, M. G. Cole-André, F. E. Mackay, S. T. T. Ollila, T. Whitehead. LAMMPS lb/fluid fix version 2: Improved hydrodynamic forces implemented into LAMMPS through a lattice-Boltzmann fluid.Comput. Phys. Commun.275, 108318 (2022).
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