Spurious currents suppression by accurate difference schemes in multiphase lattice Boltzmann method
杂散电流是多相流扩散界面法模拟中经常出现的非物理现象，它会影响计算的精度和稳定性。本文利用化学势驱动的多相格子玻尔兹曼方法研究了寄生电流的产生和抑制。离散梯度算子的差分误差和不充分的各向同性都会引起非理想力的方向偏差，从而产生寄生电流。然而，高阶有限差分比高阶各向同性差分产生更精确的结果。比较了几种具有不同形式精度和分辨率的有限差分格式。当采用大比例系数时，过渡区窄而陡，有限差分的分辨率比形式精度更准确地反映了计算精度。相反，对于小比例系数，过渡区宽而平缓，有限差分的形式精度表明计算精度优于分辨率。数值模拟结果表明，在3D情形下计算的杂散电流与2D情形下的杂散电流具有很好的一致性，特别是高阶精度有限差分法计算的两相共存密度与Maxwell等面积结构的理论预测在约化温度为0.2时具有很好的一致性.
2022-05-17 physics.comp-ph
Adaptive near-contact repulsion in conservative Allen-Cahn phase-field lattice Boltzmann multiphase model
Roma Tre University（罗马第三大学）；Pontifícia Universidade Católica do Paraná（巴拉那天主教大学）；Istituto per le Applicazioni del Calcolo, Consiglio Nazionale delle Ricerche（意大利国家研究委员会计算应用研究所）；Center for Life Nano- & Neuro-Science, Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工大学基金会生命纳米与神经科学中心）；PoreLab, Department of Physics, Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学物理系孔隙实验室）
本文提出一种自适应近接触排斥方法，用于解决多相流扩散界面模拟中的薄液膜动力学问题，通过局部排斥流实现抑制虚假合并，保持计算效率和并行计算能力。
2026-08-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Simulations of intermittent two-phase flows in pipes using smoothed particle hydrodynamics
段塞流是一种典型的间歇性两相流模式，其可发生在将井连接到生产设施的海底管道中，并且已知会引起不期望的后果。在这种情况下，计算流体动力学似乎是工具的选择，以了解他们的形成。然而，在文献中，很少有直接的数值模拟段塞流，特别是使用无网格方法，已知能够处理复杂的问题，涉及接口。在这项工作中，使用现有的多相光滑粒子流体动力学制剂与入口和出口边界条件的不稳定过程，导致管道中的间歇性流动的形成进行了二维研究。本文的目的是证明光滑粒子流体动力学的适用性，以一组给定的接近工业的情况下。首先，我们检查我们的实现，以重现Taitel和Duckler的流图预测的流态的能力。然后，我们专注于从一个流模式到另一个的过渡过程。最后，我们提出了更现实的情况下，高密度和粘度比的结果。
2018-09-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Versatile SPH Open Boundary Conditions for Multiphase Flows in Extreme Condition
本研究针对含开放边界的复杂多相流SPH模拟的数值不稳定问题，通过密度松弛、自适应阻尼粒子移位等改进开放边界条件，结合湍流模型，实现了极端条件下多相流的准确稳定模拟，验证了其通用性与鲁棒性。
2025-06-17 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Wave or Physics-Appropriate Multidimensional Upwinding Approach for Compressible Multiphase Flows
California Institute of Technology（加州理工学院）
本文提出一种多维算法，利用特征空间中欧拉方程的波结构和物理空间中变量的物理性质，通过不同重建方案增强准确性并减少数值伪影。
2025-01-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A conservative Godunov-type mesh-free hydrodynamics scheme for weakly compressible multiphase flows
Technical University of Munich (TUM)（慕尼黑工业大学）；Munich Institute of Integrated Materials, Energy and Process Engineering (MEP), Technical University of Munich (TUM)（慕尼黑工业大学集成材料、能源和工艺工程研究所）
提出一种保守型Godunov类无网格格式，通过二阶重构、HLLC求解器及界面切向松弛机制，实现弱可压缩多相流的高精度模拟，并在多个基准测试中验证了其有效性。
2026-09-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Is the motion of a single SPH particle droplet/solid physically correct?
近年来，光滑粒子流体动力学（SPH）方法在多相流和自由表面流建模方面得到了普及。在许多情况下，由于某些原因，会发生界面和自由表面破碎。因此，一个相的单个SPH颗粒固体/液滴可以出现并穿过其他相。在本文中，我们调查这个问题，专注于这样的单SPH粒子的运动。我们在这里试图回答的主要问题是：这些粒子的运动在物理上是正确的吗？它的物理尺寸是多少？数值参数对其有何影响？考虑到这一点，我们进行了简单的模拟固体颗粒由于重力下降的流体。考虑到一个单一的颗粒的三个不同的直径，我们比较的阻力系数和速度通过SPH方法与实验和分析参考数据获得的值。为了精确模拟具有自由表面的多相流，我们提出并验证了一种新的SPH公式。
2016-02-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A solution to the overdamping problem when simulating dust-gas mixtures with smoothed particle hydrodynamics
我们提出了一个修复Laibe & Price（2012）发现的过阻尼问题时，使用两组不同的粒子使用平滑粒子流体动力学模拟强耦合的粉尘-气体混合物。我们的解决方案是通过重建速度场来计算阻力时，计算气体和尘埃粒子对之间的重心处的阻力，类似于Godunov型求解器中的程序。这解决了过阻尼问题，计算成本可以忽略不计，但需要额外的内存来存储速度导数。我们采用斜率限制器，以避免虚假振荡的冲击，发现范里尔单调中心限制器最有效。
2020-05-13 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.comp-ph
A first-principles global multiphase equation of state for hydrogen
我们提出并讨论了一个宽范围的氢的状态方程模型的基础上一致的从头计算模拟，包括量子质子和电子。详细讨论了该模型的构建过程及其预测。这项工作的基石是简单的物理动机的自由能模型，一个通用的多参数/multiderivative拟合方法的规范，并使用最准确的模拟方法。由此产生的状态方程的目标是一个全球范围内的有效性（$T = 1-10^9 K$和$V_m = 10^{-9}-1 m^3/mol$），因为模型是专门构建的，以重现准确的热力学和机械极限。我们的模型在很大程度上是解析的或半解析的，并且通过构造而在物理上是一致的;完全避免了在明显不同的模型之间进行插值的问题--这通常是热力学不一致性和虚假不连续性的原因。
2018-06-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Dual-support smoothed particle hydrodynamics for elastic mechanics
在标准的SPH方法中，当支持域变化时，两个粒子之间的相互作用可能不是成对的，这会导致精度降低。针对这一问题，本文提出了一种改进的SPH方法。首先，引入拉格朗日核以消除材料稳定域的虚假失真，并通过线性变换校正梯度，以满足线性完备性。然后，定义了支持度和对偶支持度的概念，以处理不同支持域的粒子之间的不平衡相互作用。在一维、二维和三维的几个基准问题上进行了测试，以验证改进的SPH模型的准确性，并通过比较突出其优于标准SPH方法。
2017-03-21 physics.comp-ph
Comparison of multiphase SPH and LBM approaches for the simulation of intermittent flows
光滑粒子流体动力学（SPH）和格子玻尔兹曼方法（LBM）是越来越受欢迎和有吸引力的方法，提出了有效的多相公式，每一个都有自己的优点和缺点。在这种情况下，当研究给定的多流体问题时，依靠定量比较来决定应该使用哪种方法以及在哪种情况下使用，这是有帮助的。特别是，间歇性的两相流在管道中，如弹状流的模拟是一个复杂的问题，涉及移动和相交的界面，SPH和LBM都可以考虑。这是石油应用中感兴趣的问题，因为在将井连接到生产设施的海底管道中可能发生的段塞流的形成可能导致具有危险后果的不期望的行为。在这项工作中，我们比较SPH和LBM多相配方的表面张力的影响分别使用连续表面力和颜色梯度的方法在一组标准的测试用例，并在2D的间歇流的模拟建模。本文旨在突出SPH和LBM应用于这些问题时的贡献和局限性。首先，我们比较了我们的实现在静态气泡问题与不同的密度和粘度比。然后，我们专注于重力驱动的弹状流在几个雷诺数的管道模拟。最后，我们得出结论与模拟的弹状流的入口/出口边界条件。根据本研究中提出的结果，我们确认，SPH方法是更强大的和通用的，而LBM配方更准确，更快。
2019-03-04 physics.comp-ph
Axisymmetric lattice Boltzmann model for multiphase flows with large density ratio
基于Allen-Cahn相场论，提出了一种新的格子Boltzmann（LB）模型，用于模拟轴对称多相流。该模型最大的特点是能够处理大密度比的多相流，这是以往的轴对称LB模型所不能做到的。该模型采用两个LB演化方程，其中一个用于求解流体界面，另一个用于求解流体力学性质。为了有效地模拟轴对称多相流，在LB方程中引入了合适的源项和平衡分布函数，用于界面跟踪，同时在LB方程中设计了简单有效的强迫分布函数，用于流体力学性质的求解。与许多现有的LB模型不同，该模型的源和强迫项所产生的轴对称效应不包括额外的梯度，因此，本模型只包含一个非局部相场变量，这在这方面是简单得多。我们进一步进行了Chapman-Enskog分析，以证明我们目前的MRT-LB模型与轴对称Allen-Cahn方程和流体动力学方程的一致性。一系列的数值例子，包括静态液滴，振荡的粘性液滴，液体线程的破碎，和气泡在连续相上升，被用来测试所提出的模型的性能。结果发现，本模型可以产生相对较小的虚假速度，可以捕捉界面动力学具有更高的精度比以前改进的轴对称LB模型。此外，我们还发现，我们目前的数值计算结果显示出良好的协议与解析解或现有的实验数据的密度比范围很广，这突出了所提出的模型的优势。
2018-10-22 physics.comp-ph
Divergence cleaning for weakly compressible smoothed particle hydrodynamics
本文提出一种用于弱可压缩SPH的双曲/抛物型速度散度清理公式，通过标量场耦合动量方程耗散声波，在DualSPHysics中实现并验证，有效将速度散度降低至少一个数量级并消除声压振荡，且不降低空间收敛率。
2024-10-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hydrodynamic behavior of the Pseudo-Potential lattice Boltzmann method for interfacial flows
格子玻尔兹曼方法（LBM）通常用于模拟复杂多相流，该复杂多相流包括由非理想界面分离的体相。LBM本质上是中尺度的，具有由Chapman-Enskog分析普遍设定的流体动力学等效性，要求场在空间和时间上缓慢变化。后者的假设成为可疑的接口，该方法也被称为是由虚假的非流体动力学贡献的影响。这就需要进行定量的流体动力学检查。在本文中，我们分析了LBM赝势模型的流体动力学行为的问题，打破了由高原瑞利不稳定性触发的液体韧带。在固定界面厚度下进行模拟，同时增加韧带半径，即在“尖锐界面”极限下。不同的LBM碰撞算子的影响也进行了评估。我们发现，沿界面的寄生电流的不同分布可能会改变结果的赝势模型模拟相当敏感，这表明，一个适当的微调的赝势模型在时间相关的问题，需要在具体的应用程序中使用之前。综上所述，我们认为，所提出的研究结果提供了一个有价值的洞察力工程赝势模型的应用，涉及液体射流的流体动力学。
2019-05-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Generalized Lattice Boltzmann Method with multi-range pseudo-potential
详细分析了一类多相流细观模型在界面附近的物理行为。特别是，一个扩展的赝势方法的开发，它允许调整状态方程和表面张力彼此独立。这种扩展模型的虚假速度的贡献被证明是消失在高网格细化和/或高阶各向同性的限制。高阶计划实现自洽强迫严格计算的二维和三维模型。在这项工作中开发的扩展方案澄清了格子玻尔兹曼方法的Shan-Chen方法的理论基础，并增强了其适用性和灵活性，以模拟密度比高达O（100）的多相流。
2006-11-07 cond-mat.stat-mech nlin.CD nlin.CG
Nonreflecting outlet boundary conditions for incompressible flows using SPH
在本文中，我们实现了一个简单的策略，Jin和Braza的方法的基础上，使用光滑粒子流体动力学（SPH）的方法来处理不可压缩的Navier-Stokes流的无反射出口边界条件。使用出口下游的流出区来实现流出边界条件，其中使用速度场的传出波动方程来移动颗粒，使得来自出口边界的反馈噪声大大降低。对于穿过出口的单向流动，该条件简化为奥兰斯基波动方程。该方法的性能通过几个二维的测试问题，包括非定常的，平面Poiffille流，两个倾斜板之间的流动，Kelvin-Helmholtz不稳定性在一个通道中，并在一个狭窄的管道中的流动，并在三维的湍流在一个$90^{\circ}$部分的弯曲的方管。结果表明，从出口入射的寄生波被有效地吸收，并且与周期性边界条件相比，稳态层流可以保持更长的时间。此外，流中的时间依赖性各向异性，如流体再循环，以非常稳定和准确的方式在出口上对流。
2017-09-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Fluid-particle flow and validation using two-way-coupled mesoscale SPH-DEM
首先，提出了一种用于多相流-颗粒流的无网格模拟方法，其中流体采用光滑粒子流体动力学（SPH），固相采用离散元法（DEM）。基于局部平均纳维-斯托克斯方程的未解析流体模型预计将比完全解析模型快得多。此外，与类似的基于网格的离散粒子方法（DPM）相比，我们的纯基于粒子的方法具有缺乏指定网格的灵活性。它适用于诸如自由表面流动或复杂、移动和/或相互啮合的几何形状周围的流动等问题，并且适用于稀颗粒流和密颗粒流。第二，流体颗粒模拟的全面验证程序，并在这里适用于SPH-DEM方法，使用模拟的单个和多个粒子的沉积在一个三维流体柱和分析模型的比较。毫米级颗粒与三种不同的测试流体一起使用：空气、水和水-甘油溶液。对于一个单一的粒子的速度演变比较以及（小于1%的误差）的分析解决方案，只要流体的分辨率是粗糙的颗粒直径的两倍。两个更复杂的多粒子沉降问题（均匀多孔块体的沉降和非均匀Rayleigh Taylor不稳定性）在孔隙率为0.6 <= ε<= 1.0时也能很好地再现，尽管在存在高孔隙率梯度时应注意。总的来说，SPH-DEM方法成功地定量再现了测试用例中的预期行为，并有望成为其他现实的流体粒子系统模拟的灵活和准确的工具。
2013-06-14 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Physics-Informed Machine Learning Framework for Solid Boundary Treatment in Meshfree Particle Methods
针对无网格粒子方法固体边界核截断难题，本文提出物理信息 CNN-MLP 直接预测边界修正项，在 MPS 测试中达到虚粒子方法精度并降低开销，且可泛化与扩展至 SPH。
2025-09-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A well-balanced weakly compressible SPH formulation for free-surface flows and its GPU implementation
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Center for Ocean Research in Hong Kong and Macau (CORE)（港澳海洋研究中心）；Shenzhen Research Institute, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学深圳研究院）
本研究提出一种平衡型WCSPH格式，通过引入辅助势变量和黎曼基梯度近似解决离散层面的流体静平衡问题，在GPU上实现后将伪速度误差降至10^-13量级，可高效模拟千万粒子规模的自由表面流动。
2026-08-25 physics.comp-ph
