A Methodology to Quantify Interscale Energy Transfer at Solid Boundaries
提出一种结合粗粒化和体积惩罚的新滤波方法,量化固体边界处的线性能量传递,并通过罗斯贝波反射实例验证其有效性。
2026-06-23 physics.flu-dyn
Swimming in circles: Motion of bacteria near solid boundaries
在固体边界附近,E.大肠杆菌以顺时针方向作圆周运动。我们为这种行为提供了一个流体动力学模型。我们表明,圆形轨迹是自然的后果,无力和无扭矩的游泳,以及与边界的流体动力学相互作用,这也导致了流体动力学捕获的细胞接近表面。我们比较了模型的结果与实验数据,并获得合理的协议。特别是,我们表明,曲率半径的轨迹的细菌体的长度增加。
2005-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Thermal counterflow in a periodic channel with solid boundaries
采用涡丝模型对超流$^4$ He中热逆流产生的有限温度量子湍流进行了数值模拟。我们调查的固体边界沿笛卡尔方向之一的影响,假设一个层流的正常流体与Poiffuille速度分布,同时改变温度和正常的流体速度。我们分析了量子化涡旋的分布,重联率和量子化涡旋产生作为壁法线方向的函数。我们发现,量子化涡线往往集中在固体边界附近,其位置只取决于温度,而不是对逆流速度。我们提供了一个解释这种现象,通过考虑两个竞争的影响,即湍流扩散率的各向同性缠结附近的边界和量子涡生产率的中心的平衡。此外,这产生了观察到的缩放的位置的峰值涡线密度与相互摩擦参数。最后,我们提供的证据表明,从层流到湍流的正常流体流动的过渡后,有一个显着增加的均匀性的缠结,这可以被用来作为一个间接措施的过渡到湍流的正常流体成分的实验。
2014-09-06 cond-mat.other physics.flu-dyn
A front-tracking immersed-boundary framework for simulating Lagrangian melting problems
本研究针对拉格朗日熔化问题,提出一种结合移动最小二乘浸没边界框架与Stefan条件的界面追踪数值方法,通过增量局部式动态粗化重划分及体积守恒平滑,实现高精度可扩展的熔化过程模拟。
2025-01-15 physics.flu-dyn
Simulating Moving Contact Lines in Three-Phase Suspensions Using a Front Tracking Method
本研究针对三相多相流中的运动接触线问题,扩展了Front Tracking方法,提出显式追踪和隐式捕捉两种接触线模拟策略,引入虚拟界面技术,验证了二者精度相当,且隐式方法更易实现三维模拟。
2024-12-09 physics.flu-dyn
Wetting boundaries for ternary high density ratio Lattice Boltzmann Method
我们扩展了最近提出的三元自由能晶格玻尔兹曼模型与高密度对比度,将润湿边界在固体壁。这些方法是基于强制和几何方案,与实施优化三元(更一般的高阶多组分)模型。每种方法的优点和缺点都通过进行静态和动态测试来解决,包括取代气相的液体的毛细管填充动力学,以及液滴的训练的自推进运动。此外,我们测量动态角,并表明滑移长度关键取决于平衡值的接触角,以及它是否属于液-液或液-气界面。这些结果验证了模型模拟固体边界附近复杂三元流体动力学问题的能力,例如跌落冲击被润滑层覆盖的固体基底。
2019-04-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
The Dynamics of Liquid Drops and their Interaction with Solids of Varying Wettabilites
微滴的影响和蔓延现象的界面形成过程中,使用最近开发的计算框架进行了探讨。从这个框架的模拟高变形自由表面流动的结果的准确性得到证实,与以前的数值研究自由液滴的大振幅振荡的比较。我们的代码的能力,产生高分辨率的基准计算动态润湿流,然后证明通过模拟微滴的影响和扩散的表面上的润湿性有很大的不同。模拟允许一个看到的过程中,超出了实验分析可用的分辨率的功能。强的界面效应,在微流体尺度上观察到的,然后利用设计不同的润湿性,允许开发新的方法的流量控制的表面。
2012-02-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Rayleigh-Bénard convection in a creeping solid with melting and freezing at either or both its horizontal boundaries
固态对流可以发生在行星物体的岩石或冰的地幔中,这些地幔可以被类似成分的熔融层包围。流向界面的流体可以通过改变相态而通过界面。这种行为是由一个边界条件,考虑到在固体中的粘性应力之间的竞争,建立地形的接口与时间尺度$τ_η$,和对流转移的潜热在液体中的地方发生冻结的地方的边界融化,这将消除地形,与时间尺度$τ_ϕ$。比率$Φ=τ_ϕ/τ_η$控制边界条件是经典的非穿透边界条件($Φ\rightarrow \infty$)还是允许有限流动通过边界(小$Φ$)。我们研究瑞利-贝纳德对流在一个平面层受到这种边界条件在其边界的一个或两个使用线性和弱非线性分析。当两个边界都是相变界面时,$Φ$的值相等,非变形平移模式是可能的,临界瑞利数等于$24Φ$。在小的$Φ$值时,该模式与具有稍低的临界瑞利数和非常长的波长的弱变形模式$λ_c\sim 8\sqrt{2}π/ 3\sqrtΦ$竞争。这两种模式导致非常有效的热传递,如由努塞尔数和瑞利数之间的关系所表示的。当只有一个边界受到相变条件时,临界瑞利数为$\Ray_c=153$,临界波长为$λ_c=5$。当底部边界为相变界面时,Nusselt数随Rayleigh数的增加比在非穿透条件下的经典情况快约两倍。
2018-03-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Physics-informed neural networks for hidden boundary detection and flow field reconstruction
State Key Laboratory of Fluid Power(流体动力国家重点实验室);Zhejiang University(浙江大学);China Ship Scientific Research Center(中国船舶科学研究中心)
针对流体力学反演挑战,提出PINN框架,通过在控制方程中引入体分数参数,利用稀疏观测同时推断隐藏固体边界与重建流场,验证了其在多种流动场景下的鲁棒性与准确性。
2025-03-31 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Contact angles in the pseudopotential lattice Boltzmann modeling of wetting
在本文中,我们的目标是调查的实施接触角的赝势格子玻尔兹曼模型的润湿在一个大的密度比。赝势格子Boltzmann模型[X. Shan和H. Chen,Phys.Rev.E49,2941(1994)]是用于模拟多相流和界面动力学的流行的介观模型。在该模型中,接触角通常通过流体-固体相互作用来实现。对两种广泛应用的流固相互作用:基于密度的相互作用和基于赝势的相互作用,以及本文提出的一种改进的基于赝势的相互作用进行了数值研究,并在可实现的接触角、最大和最小密度以及寄生电流方面进行了比较。结果表明,赝势相互作用能很好地模拟小的静态(液体)接触角,但不能再现接近180度的静态接触角。与此同时,与其他两种流固相互作用相比,改进的赝势相互作用在最大密度和最小密度方面表现更好,更适合于模拟大接触角的流固相互作用.此外,当流固相互作用力的引入时,寄生电流被放大。增加汽液相之间的运动粘度比被证明是能够减少由流体-固体相互作用引起的寄生电流。
2014-10-21 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Stability of force-driven shear flows in nonequilibrium molecular simulations with periodic boundaries
本文分析了在三维周期性边界条件下,力驱动平行剪切流在非平衡分子模拟中的流体动力学稳定性。我们表明,以这种方式模拟的流动可以是线性不稳定的,我们推导出的临界雷诺数作为模拟域的几何纵横比的函数的表达式。近似的周期性扩展的Couette和Poiffille流是不稳定的雷诺数两个数量级小于其非周期性的等价物,因为周期性的边界施加根本不同的约束的流动。这种不稳定性具有重要的意义,模拟剪切流变学和设计非平衡模拟方法,与周期性的边界条件是兼容的。
2020-05-13 physics.flu-dyn
Mesoscopic modeling of a two-phase flow in the presence of boundaries: the Contact Angle
本文基于玻尔兹曼方程,提出了一个固体壁面与非理想流体相互作用的介观模型。根据液-气、液-固、气-固三相之间的表面张力,给出了接触角的解析推导。我们研究了接触角对模型的两个自由参数的依赖性,这两个自由参数决定了流体和边界之间的相互作用,即在分子动力学研究中壁面密度和壁面流体势的等效性。我们比较了流体力学极限的密度分布和表面张力的表达与数值模拟的分析结果。我们还比较了我们的两相方法与一些精确的结果为纯流体动力学不可压缩流体的基础上纳维-斯托克斯方程的边界条件由交替滑移和无滑移带。最后,我们将展示如何克服一些理论上的限制与离散玻尔兹曼计划,我们讨论了表面张力之间的等价性定义的机械平衡和麦克斯韦建设。
2006-02-03 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Simulating the Dynamic Behavior of Shear Thickening Fluids
虽然大量的研究已经致力于流体的模拟,但没有太多的注意力被给予探索可以用具有非恒定粘度的不同类型的非牛顿流体产生的新的有趣的行为。在这个方向上,本文介绍了一个计算模型,用于模拟在非牛顿剪切增稠流体中观察到的有趣现象,这些流体的粘度随着应力的增加而增加。这些流体具有独特和非常规的行为,它们经常出现在现实世界的场景中,例如在流沙中下沉或在使用流行的玉米淀粉和水混合物进行实验时。虽然剪切增稠流体的有趣行为可以在现实世界中很容易地观察到,但这些流体最有趣的现象之前还没有在计算机图形学中模拟过。该流体具有独特的固液相变特性,在固态下具有很强的抗冲击能力,并具有很强的滞后效应。我们提出的方法建立在现有的非牛顿流体模型在计算机图形学,并引入了一个有效的基于历史的刚度项,这是必不可少的产生最有趣的剪切增稠现象。基于历史的刚度是通过使用分数阶导数来制定的,利用分数阶微积分的能力来描述历史相关系统的粘弹行为和历史效应。通过我们的方法产生的模拟与真实的实验进行比较,结果表明,该模型成功地捕捉到剪切增稠流体中观察到的关键现象。
2015-10-28 cs.GR physics.flu-dyn
Microalgae scatter off solid surfaces by hydrodynamic and contact forces
微生物和固体边界之间的相互作用在生物过程中起着重要作用,如卵子受精,生物膜形成和土壤定殖,其中微泳者在结构化环境中移动。尽管最近的努力,以了解他们的起源,目前还不清楚这些相互作用是否可以理解为根本的流体动力学起源或铰链上的游泳者的直接接触的障碍。采用实验和模拟相结合的方法,我们详细研究了广泛用作模型牵引微生物的双鞭绿藻\textit{Chlamydomonas reinhardtii}与凸形障碍物的相互作用,凸形障碍物是一种非常适合强调空间和流体动力学效应的不同作用的几何形状。我们的研究结果表明,这两种力量是至关重要的正确描述这类鞭毛微生物与边界的相互作用。
2015-11-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Simulating the interaction between a falling super-quadric object and a soap film
本文以三维模拟的方式,研究了轻质固体与圆柱形管道内竹泡沫肥皂膜的相互作用。我们通过改变单个形状参数以及改变物体的初始方向和位置来改变下落物体的形状。我们详细调查如何在所有这些情况下的肥皂膜变形,并确定网络和压力,泡沫施加在一个下落的物体上,由于表面张力和气泡压力分别。我们表明,在一个特定的方向上的立方体颗粒的经验最大的阻力,这个方向也是最有可能的结果,从一个任意的方向通过竹泡沫下降立方体。
2017-01-31 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Simulating dynamics of ellipsoidal particles using lattice Boltzmann method
本文提出一种基于格子玻尔兹曼方法和四元数隐式更新方案的椭球颗粒-流体耦合模拟算法,并通过平动、漂移、Jeffrey轨道及微型游泳者自推进等算例验证了其准确性与鲁棒性。
2024-05-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Simulations of the kinematic dynamo onset of spherical Couette flows with smooth and rough boundaries
数值研究了不可压缩导电流体填充两个同心球间隙时的发电机相变。在第一系列模拟中,流体由光滑内球通过无滑移边界条件的旋转驱动,而外球是静止的。在第二个系列中,旨在模拟粗糙表面的体积力在厚度为间隙宽度的十分之一的层内驱动靠近内球的流体。本文研究了湍流区边界层厚度对发电机阈值的影响。模拟结果表明,模拟粗糙表面的边界强迫降低了所需的旋转速率,这可能有助于改善球形发电机实验。
2012-06-21 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
A fast integral equation method for solid particles in viscous flow using quadrature by expansion
KTH Royal Institute of Technology(皇家理工学院)
本文提出了一种快速准确的框架,用于模拟周期性斯托克斯流中的椭球体,采用完成的双层边界积分公式,并结合扩展求积法和谱埃瓦尔德方法,实现高精度计算。
2016-04-25 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
A smoothed dissipative particle dynamics methodology for wall-bounded domains
本文提出了一种光滑耗散粒子动力学与动态虚拟粒子分配方法(SDPD-DV)的数学和计算方法,用于壁面区域介观流体的建模和模拟。SDPD-DV方法由流体粒子、边界粒子和在固体边界附近动态分配的虚拟粒子实现。SDPD-DV中的物理域包含外部和内部固体边界、周期性入口和出口以及流体区域。该域的固体边界用边界粒子表示,这些边界粒子在初始化时具有指定的位置、壁速度和温度。流体域被离散化,流体粒子被放置在全局索引中。最近邻粒子搜索的算法是基于链接单元和Verlet列表方法的组合,并利用大的矩形单元的计算效率。在固体边界附近的流体颗粒的密度模型包括来自其截断支撑域中的虚拟颗粒的贡献。虚粒子的热力学性质与相应的流体粒子的热力学性质相同。附加验证涉及瞬态、平面、库埃特液态水流的SDPD-DV模拟。顶板在底部固定板处移动,并与底部固定板相距10 - 3 m。数值结果与解析解吻合得很好。附加的SDPD-DV验证是通过模拟体积力驱动的低雷诺数水流过半径为的圆柱体来完成的。并将SDPD-DV方法计算的速度场和压力场与FLUENT软件计算的结果进行了比较。
2017-08-01 physics.flu-dyn
Propulsion by passive filaments and active flagella near boundaries
限制和壁效应是影响游泳微生物的运动学和推进特性的已知因素。当固体以恒定速度被拖曳通过粘性流体时,壁的存在增加了流体阻力,因此保持速度所需的净力必须增加。相反,最近的光学捕获实验表明,人类精子产生的推进力会因边界的存在而降低。在这里,我们使用一系列简单的模型来解析阐明被动驱动的细丝和模型鞭毛的固体边界的推进效果。对于被动的柔性长丝定期致动在一端,壁的存在下示出的位移驱动的致动的情况下,增加由长丝产生的推进力,而它减少了力驱动的致动的情况下的力。在活性细丝作为真核生物鞭毛模型的情况下,我们证明了固体壁影响推进的方式不能先验地知道,而是鞭毛频率、波长、其材料特性、分子马达自组织产生振荡的方式的非平凡函数(规定的活动模型或自组织轴丝跳动模型),和边界条件实验应用于栓系鞭毛。特别是,我们表明,在某些情况下,由壁引起的流体摩擦力的增加可以导致鞭毛所表示的波形的变化,从而导致其推进力的减少。
2010-10-28 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
A consistent, volume preserving, and adaptive mesh refinement-based framework for modeling non-isothermal gas-liquid-solid flows with phase change
本文提出一种一致、体积守恒且基于自适应网格细化的低马赫数焓方法,用于模拟非等温气-液-固三相流与相变,通过一致时间积分、解析验证模型和场扩展技术,提升了稳定性并实现了对热毛细流、金属制造及凝固孔隙缺陷的准确模拟。
2024-11-10 physics.flu-dyn
An efficient threshold dynamics method for wetting on rough surfaces
LSEC, Institute of Computational Mathematics and Scientific/Engineering Computing, NCMIS, AMSS, Chinese Academy of Sciences(中国科学院数学与系统科学研究院计算数学与科学工程计算研究所);The Hong Kong University of Science and Technology(香港科技大学)
本文提出一种高效体积保持阈值动力学方法,用于模拟粗糙表面的润湿过程,该方法基于扩展域内加权表面积功能的最小化,具有O(N log N)复杂度且稳定可靠。
2016-10-16 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Solid-Fluid Interaction on Particle Flow Maps
提出基于粒子流图的固-流耦合方法,通过冲量-速度传递与粒子路径积分机制统一表示流体和弹性固体,并在多种强涡旋动力学场景中验证其有效性。
2024-09-13 cs.GR physics.flu-dyn
Monte-Carlo simulations for wall-bounded fluid flows via random vortex method
本文提出了一种模拟流体沿固壁运动的Monte-Carlo方法。本文采用反射技术和摄动技术建立了随机涡方法。基于这种随机涡动力学的Monte-Carlo方法可以实现,然后对固体壁面附近的流动进行几次蒙特卡罗模拟。
2022-08-28 math.AP math.PR physics.flu-dyn
A hybrid Eulerian-Lagrangian flow solver
Eindhoven University of Technology(埃因霍温理工大学);Delft University of Technology(代尔夫特理工大学)
本文提出一种结合欧拉和拉格朗日方法的混合求解器,用于解决近固壁区域的流体问题,通过欧拉法求解纳维-斯托克斯方程,远区域用涡粒子法,验证了在二维基准案例中的有效性。
2015-06-04 cs.NA math.NA physics.flu-dyn