Discrete Boltzmann modeling of multiphase flows: hydrodynamic and thermodynamic non-equilibrium effects
建立了一个离散Boltzmann模型（DBM），用于研究相分离过程中的流体动力学和热力学非平衡（TNE）效应。粒子间力驱动变化，而由宏观量的梯度引起的梯度力则与变化相反。在本文中，我们通过对各种非平衡观测量的详细检查来研究它们之间的相互作用。基于TNE特征，我们定义了一个TNE强度，它粗略地估计了偏离热力学平衡的幅度。TNE强度随时间的演化提供了一个方便有效的物理判据来区分调幅分解和畴生长的阶段。通过DBM模拟和该判据，定量研究了相变潜热和表面张力对相分离的影响。结果表明，TNE强度在失稳分解阶段末达到最大值，随着潜热从零开始增加，TNE强度逐渐减小。表面张力的作用有三个方面，即延长了失稳分解阶段的持续时间，降低了最大TNE强度，并加快了畴生长阶段的速度。
2015-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Lattice Boltzmann Study of Velocity Behaviour in Binary Mixtures Under Shear
本文应用格子玻尔兹曼方法研究了剪切作用下双组分流体中速度剖面在旋节线分解过程中的弛豫。在简单流体中，当剪切流施加在系统的边界上时，获得三角形轮廓所需的时间与粘度成反比，与系统尺寸的平方成正比。我们发现，同样的行为也发生在二元混合物，在混合物中的任何组分比，并独立于剪切流时，在相分离过程中打开的时间。
2003-03-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Continuum Free-Energy formulation for a class of Lattice Boltzmann multiphase models
结果表明，非理想格子流体的Shan-Chen（SC）模型可以通过简单地加入梯度力而符合伪自由能原理，梯度力的表达式是唯一地用流体密度表示的.这个额外的长期数字显示，提供相当可以忽略不计的影响，在相分离过程中的系统演变。据我们所知，SC模型的这些重要性质以前没有被注意到。在目前的工作中开发的方法是基于连续分析：进一步的扩展，更符合离散晶格理论（X。Shan，{ \it Phys Rev E}，{ \bf 77} 066702（2008））。
2009-01-29 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Phase Separation Dynamics and Active Turbulence in a Binary Fluid Mixture
Global College, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学全球学院）
本研究提出一种新颖的双流体模型，结合 Cahn-Hilliard 模型与 Beris-Edwards 方程，利用格子玻尔兹曼方法揭示了二元流体混合物中活性应力与双流体动力学相互作用导致的复杂非平衡图案形成机制。
2025-11-01 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Flow-parametric regulation of shear-driven phase separation in two and three dimensions
研究了二维和三维Cahn-Hilliard方程的混沌剪切流。主要目标是比较和对比的相分离在二维和三维，使用高分辨率的数值模拟作为研究的基础。模型流的振幅（从而承认各向异性的可能性），lengthscales，和多个时间尺度的参数化，和相分离的结果作为这些参数的函数，以及维数的调查。以这种方式，一个参数政权被确定，其中相分离和相关的粗化现象不仅被逮捕，但事实上的浓度方差衰减，从而打开了描述的浓度场的动态使用的平流扩散理论的可能性。该参数区域对应于长流量相关时间、大流量振幅和小扩散系数。这种高扩散制度的发病解释引入巴彻勒长度尺度。一个关键的结果是，在hyperdiffusive制度，浓度的分布（特别是浓度的极值的频率）强烈依赖于维数。各向异性的情况下也进行了研究：对于其中的方差饱和（对应于粗化逮捕）的情况下，域对齐的方向取决于流相关时间。因此，对于与平均剪切速率的倒数相当的相关时间，域在最大流动振幅的方向上对齐，而对于短的相关时间，域最初在相反的方向上对齐。然而，在非常晚的时间（在经过数千个相关时间之后），域的命运是相同的，与相关时间无关，即在最大流动幅度的方向上对齐。
2014-12-22 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann model for combustion and detonation
本文提出了一个燃烧和爆轰的格子Boltzmann模型。在该模型中，通过GAN等人的有限差分格子Boltzmann模型描述流体行为[Physica A，2008，387：1721]。化学反应由Lee-Tarver模型描述[Phys. Fluids，1980，23：2362]。反应热自然地与流动行为耦合。由于化学过程和热力学过程的时间尺度是分离的，采用算符分裂方案是成功模拟的关键技术。新的模型进行了验证和知名的基准测试。作为新模型的一个具体应用，我们研究了简单稳态爆轰现象。为了说明LB模型相对于传统模型的优点，我们着重研究了反应区的非平衡效应。有趣的是，在冯·诺依曼峰处，系统几乎处于热力学平衡。在冯·诺依曼峰的两侧，系统以相反的方向偏离其平衡。在冯·诺依曼峰前，由于冯·诺依曼峰后的反应产物的强烈压缩，系统经历突然偏离热力学平衡。在冯·诺依曼峰之后，化学能的释放导致反应区内物质的热膨胀，这驱动系统在相反方向上偏离热力学平衡。从本文定义的热力学平衡偏离量，可以更好地理解热力学平衡偏离量对系统的宏观影响。
2013-05-10 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Metastable and Unstable Dynamics in multi-phase lattice Boltzmann
我们定量地描述了多相格子Boltzmann模型中的亚稳性。理论上得到了密度涨落的结构因子，并对所有模拟的波矢和约化温度进行了高精度的数值验证。当温度接近临界点或密度接近亚临界温度的旋节线时，静态结构因子始终发散。在这两种情况下观察到理论预测的临界指数。最后，在不稳定分支中的相分离遵循相同的模式，即具有不同拓扑结构的界面的产生，如在分子动力学模拟中观察到的。所有结果都可以通过“idea.deploy”框架https://github.com/lullimat/idea.deploy独立复制
2022-12-18 cond-mat.stat-mech nlin.CG physics.flu-dyn
Growth regimes in three-dimensional phase separation of liquid-vapor systems
本文利用三维格子 Boltzmann 模拟和多组大尺度数据，揭示液-汽等温相分离仅经历指数 1/2 与 2/3 的动力学和惯性生长阶段，并排除指数为 1 的黏性机制。
2024-01-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Universal energy cascade in homogeneous binary fluid turbulence: A direct comparison of different exact relations
本研究通过直接数值模拟比较三种精确关系，证实均匀二元流体湍流中存在 Kolmogorov 式普适能量级联，且不同公式给出的级联率一致，并发现散度形式通量率在域尺寸处相交。
2025-03-27 physics.flu-dyn
Physics-Informed Neural Networks for Enhanced Interface Preservation in Lattice Boltzmann Multiphase Simulations
Independent Researcher（独立研究者）
本文提出耦合物理信息神经网络与格子玻尔兹曼方法的框架，通过液滴模拟验证，有效抑制界面扩散，保持界面锐度，提升多相模拟精度。
2025-04-18 cs.AI physics.flu-dyn
Continuous surface force based lattice Boltzmann equation method for simulating thermocapillary flow
本文扩展了具有连续表面力（CSF）的格子Boltzmann方程（LBE）来模拟热毛细流动。该模型是在我们以前的无热两相流CSF LBE的基础上设计的，其中界面张力和Marangoni应力作为不同相之间的界面相互作用的结果由CSF的概念来描述。在该模型中，不同相之间的尖锐界面被一个狭窄的过渡层隔开，相分离的动力学和形态演化可以用一个序参量visa Cahn-Hilliard方程描述，并在LBE框架下求解。温度场的标量对流扩散方程也用热LBE求解。该模型进行了验证，热两层Poilluille流，和两个叠加的平面流体在可忽略不计的小雷诺数和Marangoni数的热毛细驱动的对流，其中有解析解的速度和温度。然后模拟了二维可变形液滴的热毛细迁移。数值结果表明，本文的LBE预测结果与解析解/其它数值结果一致。
2014-12-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Spectral element lattice Boltzmann method for non-ideal gases with partial wetting boundary condition
City College of New York（纽约市立学院）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
该研究提出一种谱元格子玻尔兹曼方法，纳入非理想气体相场模型，采用力分裂方法与通量反弹方案，实现通用润湿边界条件，模拟验证显示可显著降低非结构化网格上的寄生电流。
2026-09-02 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Lattice-Boltzmann Simulations of Microswimmer-Tracer Interactions
流体动力学的相互作用，在系统中的自推进粒子，如游泳的微生物，和被动示踪剂有显着影响的示踪剂动力学相比，相当于“干”的样品。然而，由于其计算成本，这种相互作用通常难以在模拟中考虑。在这里，我们使用基于有效的力/反力的晶格-玻尔兹曼（LB）算法[J. de Graaf~ \textit{et al.}，J. Chem. Phys.~ \textbf{144}，134106（2016）]，以验证其捕获相关低雷诺数物理的能力。我们表明，LB算法再现远场的理论结果以及，无论是在一个系统中的周期性边界条件和在一个球形腔无滑壁，我们在这里推导出表达式。LB算法的力-晶格耦合导致流场的“涂抹”，这强烈地干扰了示踪剂轨迹在密切的游泳者示踪剂分离，我们分析了如何使用一个简单的重整化流体动力学理论可以准确地捕捉到这种效果。最后，我们表明，使用LB算法来模拟系统的自推进粒子时，必须小心，因为其有限的动量传输时间可能会导致显着偏离理论预测的基础上斯托克斯流。这些见解应证明相关的未来研究的大规模microswimmer悬浮液使用这些方法。
2017-05-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Two-dimensional off-lattice Boltzmann model for van der Waals fluids with variable temperature
本文提出了一种变温液-汽系统的二维离格 Lattice Boltzmann 模型，采用全域 Hermite 多项式四阶展开与五阶投影格式，验证了四阶收敛性及 Galilean 不变性，并研究了平行壁面间的液-汽相分离过程。
2018-10-16 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann study of chemically-driven self-propelled droplets
我们数值研究了自推进液滴的行为，其运动是由一个Marangoni样流触发。后者是由影响液滴表面张力促进其运动的表面活性剂浓度的变化产生的。在本文中，采用了第三个两亲性组分的液滴模型。动力学方程采用Navier-Stokes方程和对流扩散方程描述，数值求解采用格子玻尔兹曼方法和有限差分格式。我们专注于两个案例。首先研究了孤立液滴的自推进，然后研究了两个自推进液滴的相互作用。在这两种情况下，当表面活性剂向界面迁移时，在液滴内部形成速度场的四极涡并引起运动。相反，当表面活性剂主要在本体中稀释时，出现较弱的偶极场。两个相互作用的液滴的动力学更加复杂，并且强烈地依赖于它们的相互距离。如果在正面碰撞中，液滴足够接近，速度场最初会吸引它们，直到达到静止的稳定状态。如果液滴垂直移动，则流体动力场导致初始相互吸引，随后是沿相反方向的散射。这种流体动力学相互作用于一些液滴半径的分离，否则它变得可以忽略不计，并且液滴运动仅由Marangoni效应驱动。最后，如果液滴之一是被动的，则后者通常由主动液滴产生的流体流平流输送。
2017-11-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Enhanced boiling heat transfer using conducting-insulating microcavity surfaces in an electric field: A lattice Boltzmann study
本研究通过格子玻尔兹曼方法发现，电场中采用导电-绝缘微腔表面可消除场陷阱效应，使临界热通量提升超200%，并提出修正关联式预测非均匀电场下的临界热通量。
2023-10-17 physics.flu-dyn
Discrete Boltzmann multi-scale modeling of non-equilibrium multiphase flows
本文的目的是双重的：第一是制定和验证一个多尺度离散玻尔兹曼方法（DBM）的基础上的密度泛函动力学理论的热多相流系统，从连续过渡流制度;第二是提出一些新的见解热流体动力学非平衡（THNE）的影响，在相分离过程中。从方法上讲，DBM包括三个主要支柱：（i）确定最少的动力矩关系，这是描述连续流体力学范围之外的显著THNE效应所需要的，（ii）构造恢复所有期望的动力矩的适当的离散平衡分布函数，（iii）检测、描述、基于非平衡分布矩（$f-f^{(eq)}$）的THNE的介绍和分析。适当的附加高阶热力学动力学矩的结合大大扩展了DBM的处理较大值的液体-蒸气密度比，抑制寄生电流，并确保质量-动量-能量守恒的能力。与仅具有一阶THNE的DBM（GAN et al.软物质11，5336）相比，该模型获得了超过三阶超Burnett水平的动力学矩，并且即使当局部Knudsen数超过$1/3$时，对于弱、中等和强THNE情况也是准确的。在物理上，THNE与有关物理参数之间的线性关系的终点提供了一个明确的标准，以确定系统是否接近或远离平衡。此外，表面张力对界面附近的THNE有抑制作用，但通过界面的平滑和加宽，使THNE的范围扩大，强度增强。
2022-09-05 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
Onsager-variational-principle-based Lattice Boltzmann Model For Three-phase Dielectric Fluid Flows
College of Science, National University of Defense Technology（国防科技大学理学院）；School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences（中国地质大学数学与物理学院）
本文针对现有三相EHD模型缺乏热力学一致性的问题，基于Onsager变分原理提出热力学一致的三相EHD模型，结合格子玻尔兹曼方法开发数值框架，经多基准案例验证后用于模拟液滴在电场及复合流场中的动力学行为，提供了可靠的多相EHD数值工具。
2026-08-07 physics.flu-dyn
Forcing mass transfer approach in multicomponent miscible mixtures using the lattice Boltzmann method
本文提出一种显式速度差LBM框架下的强制传质方法，恢复宏观质量守恒、带外力Navier-Stokes方程及完整Maxwell-Stefan方程，并提出不可渗透壁面边界方案，通过铀同位素超离心分离和Loschmidt管模拟验证了方法的物理一致性与准确性。
2025-04-09 nlin.CG physics.flu-dyn
A unified multirate lattice Boltzmann framework for thermosolutal dendritic solidification
Tsinghua University（清华大学）
针对热溶质枝晶凝固中多时间尺度问题，提出统一多速率多松弛时间格子玻尔兹曼方法，通过分离源项并即时传递相变贡献，实现稳定模拟，再现枝晶形态并公开代码。
2026-09-23 physics.flu-dyn
Controlled propulsion and separation of helical particles at the nanoscale
控制纳米和微米级物体在流体环境中的运动是设计优化的微型机器的关键因素，这些机器执行机械任务，例如在细胞中运输药物或遗传物质，流体混合以加速化学反应，以及在微流体芯片中运输货物。定向运动是通过非对称粒子的平移和旋转运动的耦合而实现的。当前在纳米尺度上实现定向和受控运动的挑战在于克服由于流体中的热波动引起的随机布朗运动。我们使用混合晶格玻尔兹曼分子动力学方法与充分的流体动力学相互作用和热波动，以证明在水性环境中的控制推进的个人nanohelices是可能的。我们优化的推进速度和效率的外部驱动nanohelices。我们通过计算不同形状、匝数和螺距的螺旋的Péclet数来量化热效应对定向运动的重要性。与手性物体的实验微尺度分离相一致，我们的研究结果表明，在Péclet数$>10$的热波动的存在下，手性粒子根据其手性和所施加的扭矩的方向，使手性粒子的分离在纳米级的传播方向。我们的研究结果提供了标准的设计和控制的螺旋机器在纳米级。
2017-01-30 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Entropy production in thermal phase separation: a kinetic-theory approach
采用离散Boltzmann动力学模型研究了多相流热相分离过程中的熵产生。的熵产生率被发现在失稳分解阶段增加，并在畴生长阶段减少，达到最大值在两者之间的交叉。这种行为为识别和区分这两种制度提供了一个自然标准。此外，通过系统地探讨非平衡能量和动量通量之间的相互作用，研究了导热系数，粘度和表面张力对熵产生率的影响。结果表明，由于能量通量的熵产生率是普朗特数的增函数，而动量通量则表现出相反的趋势。另一方面，这两个贡献都表现出随表面张力增加的趋势。目前的分析内的非平衡态热力学的一般框架内，因此，它预计将是有关的软流动系统远离机械和热平衡的广泛类别。
2019-03-15 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.flu-dyn
