Novel Multi-relaxation-time High-order Models for Lattice Boltzmann Simulation of Non-equilibrium Gas Flows
Novel Multi-relaxation-time High-order Models for Lattice Boltzmann Simulation of Non-equilibrium Gas Flows
批准号:
EP/F028865/1
负责人:
Yonghao Zhang
金额:
$31.91万
依托单位国家:
英国
项目类别:
Research Grant
财政年份:
2008
资助国家:
英国
项目状态:
已结题
起止时间:
2008 至 --
中文摘要
与微/纳机电系统和微全分析系统相关的微/纳米流体技术将给化学、制药和食品行业带来革命性的变化。在这些小型化设备的设计中,流动模拟是至关重要的,但在预测微米/纳米尺度的气体流动行为时,存在一个主要问题。当气体分子的平均自由程与器件的特征尺寸相当时,违反了N-S方程所依赖的热力学准平衡假设。当标准的连续介质NSF方程失效时,用于整个流场模拟的分子动力学方法超出了当前的计算能力。我们提出了一种介观格子Boltzmann(LB)方法来填补连续介质和分子方法之间的这一空白,旨在为非平衡气体流动提供定量准确的结果,但计算成本只是分子动力学方法的一小部分。除了发展等温和热非平衡流动的高阶介观LB模型外,我们还将提出多个松弛时间格式,以解决不同阶速矩(包括动量和能量)的不同松弛速率。对于热流,不再在平衡分布函数的Hermite展开近似下寻找大的离散速度集来保留高达5阶的速度项,而是引入一个附加的能量密度分布函数,使得具有简单格子结构的小的离散速度集可以显著提高计算效率。我们将首次发展具有多种松弛时间格式的高阶LB模型,这些模型不仅适用于水动力流动,而且还适用于高度非平衡流动。这项研究的结果将在超越NSF方程的介观LB模拟能力方面取得根本性的进步,并为实际的气体流动模拟工具奠定坚实的基础,特别是在工业相关的微/纳米流体系统几何结构中。
英文摘要
The micro/nano-fluidic technology associated with Micro/Nano-Electro-Mechanical Systems and Micro-Total-Analysis Systems is set to revolutionise the chemical, pharmaceutical and food industries. Flow simulation is critical in the design of these miniaturised devices, but there is a major problem when predicting gas flow behaviour at micro/nano-scales. The thermodynamic quasi-equilibrium hypothesis, on which the Navier-Stokes-Fourier (NSF) equations depend, is violated when the mean free path of the gas molecules is comparable to the characteristic dimension of the devices. While standard continuum NSF equations become invalid, molecular dynamics methods for whole flow-field simulation are beyond current computational capabilities. We propose a mesoscopic lattice Boltzmann (LB) method to fill this gap between continuum and molecular approaches, aiming to produce quantitatively accurate results for non-equilibrium gas flows but at a fraction of the computational cost of molecular dynamics methods. In addition to developing high-order mesoscopic LB models for both isothermal and thermal non-equilibrium flows, we will propose multiple relaxation time schemes to address different relaxation rates for different order velocity moments (including momentum and energy). For thermal flow, instead of seeking large discrete velocity sets to retain up to 5th-order velocity terms in the Hermite expansion approximation to the equilibrium distribution function, an additional energy density distribution function will be introduced so that small discrete velocity sets with simple lattice structures can significantly improve computational efficiency. For the first time, we will develop high-order LB models with multiple relaxation time schemes that will be applicable not only to hydrodynamic flow but also highly non-equilibrium flows. The results of this research will deliver a fundamental advance in mesoscopic LB modelling capability beyond the NSF equations and lay down a firm basis for a practical simulation tool for gas flows especially in industrially-relevant micro/nano-fluidic system geometries.
期刊论文(10)
专著(0)
科研奖励(0)
会议论文
DOI:
10.1016/j.jcp.2010.10.023
发表时间:
2009-08
期刊:
J. Comput. Phys.
影响因子:
--
作者:
[J. Meng;Yonghao Zhang]
通讯作者:
J. Meng;Yonghao Zhang
DOI:
10.1166/jctn.2009.1263
发表时间:
2009-10
期刊:
Journal of Computational and Theoretical Nanoscience
影响因子:
--
作者:
[J. Reese;Yonghao Zhang]
通讯作者:
J. Reese;Yonghao Zhang
Analytical Solution for the Lattice Boltzmann Model Beyond Naviers-Stokes
纳维-斯托克斯之外的格子玻尔兹曼模型的解析解
DOI:
10.4208/aamm.10-10s09
发表时间:
2010
期刊:
Advances in Applied Mathematics and Mechanics
影响因子:
1.4
作者:
[Zhang J]
通讯作者:
Zhang J
CO2-Enhanced Gas Recovery (CO2-EGR): Multi-Scale Simulation of Rarefied Gas Flows in Porous Media
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批准号:EP/R041938/2
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项目类别:Research Grant
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资助金额:$21.6万
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财政年份:2020
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负责人:Yonghao Zhang
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依托单位:
Pore-Scale Study of Gas Flows in Ultra-tight Porous Media
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批准号:EP/M021475/1
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项目类别:Research Grant
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资助金额:$48.38万
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财政年份:2015
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负责人:Yonghao Zhang
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依托单位:
Multiscale Simulation of Micro and Nano Gas Flows
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批准号:EP/I036117/1
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项目类别:Research Grant
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资助金额:$44.94万
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财政年份:2011
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负责人:Yonghao Zhang
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依托单位:
国内基金
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基于Multi-Pass Cell的高功率皮秒激光脉冲非线性压缩关键技术研究
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批准号:--
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30万元
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批准年份:2022
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负责人:宋贾俊
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依托单位:
Multi-decadeurbansubsidencemonitoringwithmulti-temporaryPStechnique
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:80万元
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批准年份:2022
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负责人:Timo Balz
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依托单位:
High-precision force-reflected bilateral teleoperation of multi-DOF hydraulic robotic manipulators
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批准号:52111530069
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:10万元
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批准年份:2021
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负责人:徐兵
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依托单位:
大地电磁强噪音压制的Multi-RRMC技术及其在青藏高原东南缘-印支块体地壳流追踪中的应用
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:15万元
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批准年份:2021
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负责人:白登海
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依托单位:
基于8色荧光标记的Multi-InDel复合检测体系在降解混合检材鉴定的应用研究
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批准号:82101976
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项目类别:青年科学基金项目(C类)
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资助金额:30.0万元
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批准年份:2021
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负责人:李介男
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依托单位:
大规模非确定图数据分析及其Multi-Accelerator并行系统架构研究
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批准号:62002350
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2020
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负责人:张珩
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依托单位:
3D multi-parameters CEST联合DKI对椎间盘退变机制中微环境微结构改变的定量研究
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批准号:82001782
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2020
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负责人:李丽
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依托单位:
基于multi-SNP标记及不拆分策略的复杂混合样本身份溯源研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:56万元
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批准年份:2020
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负责人:张素华
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依托单位:
高速Multi-bit/cycle SAR ADC性能优化理论研究
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批准号:62004023
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2020
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负责人:庄浩宇
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依托单位:
大地电磁强噪音压制的Multi-RRMC技术及其在青藏高原东南缘—印支块体地壳流追踪中的应用
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批准号:--
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项目类别:国际(地区)合作与交流项目
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资助金额:--
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批准年份:2020
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负责人:白登海
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依托单位: