粘弹性非混相多相流体的多尺度建模与数值方法研究
批准号:
12101527
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
余愿
依托单位:
学科分类:
复杂问题的可计算建模与数值模拟
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
余愿
中文摘要
粘弹性非混相多相流广泛存在于自然界和工业界。它不仅具有单相粘弹性流固有的记忆效应,而且其相界面两侧流体的性质差异还会引起复杂的界面演化,表现出丰富的物理现象和流体动力学机制。目前,该流体的数值研究面临两个难题:传统宏观模型建模质量难以满足需求和高威森伯格数问题模拟困难。由于该流体在介观尺度具有结构化组织和时间动态特征,多尺度模型拥有着宏观模型所没有的优秀建模质量和模型扩展能力。基于此,本项目拟耦合现有确定性多尺度方法和多相格子玻尔兹曼方法(LBM),发展出多尺度Lattice-Boltzmann-Fokker-Planck模型。为克服求解高维森伯格数问题时遇到的数值耗散高、稳定性差等问题,本项目拟基于CPU-GPU异构平台,引入对于对流项具有零耗散特点的LBM和高稳定性的递归正则化技术,为相关复杂物理问题研究和工业数值计算设计出低耗散、稳健、高效的算法,并通过相关问题的计算来验证其准确性。
英文摘要
Viscoelastic immiscible multiphase flow exists widely in nature and industry. It has the memory effect inherent to single-phase viscoelastic fluids, and the difference in the properties of the fluids across the phase interface will cause complex interfacial evolution, which make it exhibit rich physical phenomena and hydrodynamic mechanisms. Currently, the numerical study of this fluid faces two challenges: the difficulty to meet the demand of quality by traditional macroscopic modeling and the difficulty of simulating of high Weissenberg number problem. Due to the structured organization and the temporal dynamics of viscoelastic immiscible multiphase fluids at mesoscopic scale, mesoscopic scale models possess excellent modeling quality and model scalability that macroscopic scale models do not. Based on this, this project will develop a multiscale Lattice-Boltzmann-Fokker-Planck model by coupling the existing deterministic multiscale method and the multiphase lattice Boltzmann method (LBM). In order to overcome high numerical dissipation and poor stability in solving the high Weissenberg number problem, this project proposes to introduce LBM with zero dissipation for convective terms and highly stable recursive regularization technique to design a low-dissipative, robust and efficient algorithm based on CPU-GPU heterogeneous platform for the research into related complex physical problems and the numerical computation of industrial problems, and verify its accuracy by computing the relevant problems.
本项目专注于粘弹性非混相多相流体的多尺度建模与数值方法研究,取得了一系列重要成果。针对单相粘弹性流体模型中本构方程这一关键难题,其可视为含源项且依赖空间系数的对流扩散方程,是求解高Wi数粘弹性流体的重大挑战。项目提出双松弛正则化LB模型,通过引入新的一阶空间导数辅助项、采用离散源项的一阶离散速度形式及非平衡高阶Hermite展开导出TRTR碰撞算子。数值分析表明,该模型在二维/三维非均匀对流扩散问题中,稳定性与精确度表现出色,且能有效消除无滑移边界中的数值滑移。在求解Navier-Stokes方程方面,开发出用于模拟弱可压缩等温流动的两松弛时间正则化格子Boltzmann(TRT-RLB) 模型。该模型通过自由松弛参数tau_s,2来松弛正则化的非平衡三阶项,经Chapman-Enskog分析可准确恢复Navier-Stokes方程。在超高雷诺数(Re=10^7)及超低雷诺数(Re=10^-7)的数值实验中,均展现出良好的稳定性、准确性和计算精度。此外,将上述两种模型相结合并优化,提出求解高Wi数问题的双松弛正则化模型。在粘弹性泊肃叶流动问题中,最高可计算Wi达100000,在含有应力奇点的简化四辊轧机问题中与半分析解高度吻合。同时,利用相场格子Boltzmann方法,深入探究了自润湿性液滴在倾斜表面的热毛细迁移,详细分析了Marangoni数、表面润湿性、粘度比和板的倾斜角度等因素对液滴迁移的影响。综上,本项目所提出的一系列模型和方法,在粘弹性流体算法上实现重大突破,为计算流体动力学提供了高效且适应性强的工具,具有显著的科学价值与应用前景。
粘弹性流体电场响应的介观模型及其高效数值方法研究
-
批准号:2026JJ60005
-
项目类别:省市级项目
-
资助金额:0.0万元
-
批准年份:2026
-
负责人:余愿
-
依托单位:
国内基金
海外基金