Efficient and accurate simulations of deformable particles immersed in a fluid using a combined immersed boundary lattice Boltzmann finite element method
在简单剪切流中自由悬浮的初始球形胶囊的变形可以在小变形的极限下解析计算[D。Barthes-Bianca，J. M. Rallison，在线性剪切流中自由悬浮的胶囊的时间相关变形，J. Fluid Mech.113（1981）251-267]。这些解析近似被用来研究的网格镶嵌方法，空间分辨率，和离散δ函数的浸入边界法的数值结果上得到的耦合浸入边界格子Boltzmann有限元方法的影响。对于囊膜的描述，采用有限元法和Skalak本构模型[R。Skalak等人，红细胞膜的应变能函数。J. 13（1973）245-264]已经被使用。我们的主要目标是调查所提出的模型为小分辨率提供了一个良好的基础，有效而准确的模拟多个可变形的粒子浸没在流体中。我们得出的结论是，膜网格的细节，镶嵌方法和分辨率，只发挥次要作用。流体动力学分辨率，即，离散δ函数的宽度可以显著地影响模拟的精度。δ函数的离散化引入了人工长度尺度，其有效地改变了胶囊的半径和可变形性。我们讨论的可能性，减少计算时间的变形物体浸没在流体中的模拟，同时保持高精度。
2010-04-14 cond-mat.soft
Kinematic and dynamic forcing strategies for predicting the transport of inertial capsules via a combined lattice Boltzmann-Immersed Boundary method
对不同流动方案下的可变形胶囊的运输进行建模在各种领域中至关重要，包括油流变学，血液流动和污染物的分散。本研究的目的有两个。首先，发展了一种用于预测惯性变形胶囊输运的LBM-IB方法。一个移动最小二乘法（MLS）计划已实施相关的压力，速度和力场的流体域与胶囊动力学。这种计算策略被命名为LBM Dynamic IB。其次，这种策略直接与更传统的方法进行比较，称为LBM Kinematic IB，其中胶囊以与周围流体相同的速度移动。已经考虑了多个测试用例来评估动态IB方案的准确性和效率，包括剪切流中圆形胶囊的拉伸，圆形和双凹胶囊在平面Poiffille流中的运输，有和没有惯性。通过监测随时间推移的胶囊几何形状，已经证明这两种方案非常一致，特别是在非惯性胶囊的情况下，对于低毛细管数（Ca $\leq$ 0.01）。尽管计算负担适度增加，所提出的LBM动态IB方案是唯一能够预测非惯性和惯性可变形胶囊的动力学。所提出的方法可以有效地用于研究血细胞，癌细胞和纳米/微胶囊在毛细管流内的运输。
2019-03-08 cond-mat.soft physics.flu-dyn
An extensible lattice Boltzmann method for viscoelastic flows: complex and moving boundaries in Oldroyd-B fluids
大多数生物流体是粘弹性的，这意味着它们除了牛顿流体中发现的耗散特性之外还具有弹性特性。计算模型可以帮助我们理解粘弹性流动，但通常局限于如何处理复杂的流动几何形状和悬浮颗粒。在这里，我们提出了一个格子Boltzmann求解器Oldrophil-B流体，可以处理任意形状的固定和移动的边界条件，这使得它非常适合于有限的胶体悬浮液的模拟。我们验证我们的方法，使用几个标准的流变设置，并另外研究了一个单一的沉淀胶体，也发现与文献的良好协议。我们的方法可以很容易地扩展到本构方程以外的Oldrophil-B。这种灵活性和复杂边界的处理为粘弹性流体中的微泳者的研究提供了希望。
2020-11-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A unified operator splitting approach for multi-scale fluid-particle coupling in the lattice Boltzmann method
本文提出了一个统一的框架来导出用于耦合浸没固体和弹性物体到格子玻尔兹曼方法的离散时间推进格式。基于离散Boltzmann方程的算子分裂，推导了浸入边界法、粘性力耦合和外部边界力的二阶时间精度格式。此外，一个修改后的配方的外部边界力的介绍，导致更准确的无滑移边界条件。推导还表明，耦合方法可以统一为一种形式，浸入边界法可以解释为力耦合对消失质点质量的限制。在实践中，流体和颗粒质量之间的比率决定了耦合中力传递的强度。积分方案正式提高了一阶算法的精度，通常采用时耦合浸没的对象的格子玻尔兹曼流体。预计它们还将在模拟具有多个尺度的复杂流体时具有优异的长期稳定性。
2014-06-09 cond-mat.soft physics.comp-ph
Elastic response of a nematic liquid crystal to an immersed nanowire
我们使用格子玻尔兹曼算法来求解全三维流体动力学方程，研究了铁磁纳米线在液晶中的浸没。我们提出了一个算法，包括移动边界，模拟纳米线，在格子玻尔兹曼模拟。指向矢在导线上施加一个力矩，该力矩随导线与指向矢场平衡方向之间的夹角线性增加。通过这些纳米线的旋转，可以确定纳米线的弹性常数。
2006-10-02 cond-mat.soft
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
Interface crossing behavior of prolate microswimmers: thermo and hydrodynamics
Indian Institute of Technology Jammu（印度理工学院詹穆分校）；Birla Institute of Technology Pilani, Hyderabad Campus（比拉理工学院皮拉尼校区海得拉巴）；Univ. Bordeaux, CNRS, LOMA, UMR 5798（波尔多大学，法国国家科学研究中心，LOMA实验室）
研究椭球微游泳器穿越清洁液-液界面的动力学，揭示中性润湿游泳器受初始角度、游泳速度及界面张力影响，可能被吸附或穿越界面，通过界面热力学与主动流体动力学力的竞争解释其行为。
2025-07-31 cond-mat.soft
Transient Rheology of Immersed Granular Materials
在这封信中，我们研究了浸没颗粒流的瞬态流变行为的淹没颗粒柱崩溃的实验和相应的数值模拟。采用格子玻尔兹曼方法（LBM）结合离散元方法（DEM）进行了数值模拟，得到了颗粒坍塌过程中不同位置和时间的应力和变形情况。我们推导出一个新的无量纲数$\mathcal{G}$，它可以统一所有模拟数据点的瞬态颗粒流在不同制度的流变学。$\mathcal{G}$平滑地从惯性数转换为粘性数，统一了流变定律的两个极端。我们还表明，需要引进的动应力，以实现一个普遍的关系。研究结果建立了一个瞬态本构框架的粘惯性颗粒流和更好地了解颗粒流体混合物在自然和工程情况下是很重要的。
2022-06-06 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A Lattice Boltzmann Model for Squirmers
蠕动体是一种简单而有指导意义的微型游泳者模型，它采用球形游泳者表面的有效滑动速度来描述其自推进。我们用格子Boltzmann（LB）方法解决流体动力学问题，该方法非常适合于涉及复杂边界条件的时间依赖性问题。将蠕动体转化为LB是相对直接的，但是需要出乎意料的精细网格分辨率来准确地捕获物理流场和行为。我们证明了这一点，使用四个基本的流体动力学测试：两个远场流-准确的流体动力学力矩和蠕动蠕动的相互作用-和两个需要近场准确地解决-一个蠕动局限于一个管和一个散射的球形障碍物-LB是能够做到的网格分辨率。我们发现很好的协议（数值）使用其他流体动力学求解器在相同的几何形状得到的结果，并确定一个最低要求的分辨率，以实现这一再现。我们讨论了我们的算法的背景下，其他流体动力学求解器，并提出了其应用前景多蠕动问题。
2019-03-31 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Nonlinear transport of tracer particles immersed in a strongly sheared dilute gas with inelastic collisions
Universidad de Extremadura（埃斯特雷马杜拉大学）；Instituto de Computación Científica Avanzada (ICCAEx)（高级计算科学研究所 (ICCAEx)）
研究强剪切稀释气体中示踪粒子的非线性输运，通过两种互补方法推导精确结果，并与IHS结果比较。
2025-12-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
A hybrid LBM-DEM framework with an improved immersed moving boundary method for modelling complex particle-liquid flows involving adhesive particles
本文提出了一种改进的浸入式移动边界模型（IBM），用于求解耦合格子玻尔兹曼方法（LBM）和粘性离散元方法（DEM）中复杂的流体-颗粒相互作用问题。结果表明，当多个固体颗粒与同一个格子相交时，现有的格式不能很好地处理每个固体颗粒对流体的贡献。在本研究中，通过修改部分覆盖单元中的加权函数，完全解决了这个问题。在此基础上，提出了一种快速、高效、精确的线性近似方法，用于计算粒子与晶格间的部分互锁体积。通过多个基准算例的验证，所开发的IBM-LBM-DEM混合数值框架能够以较低的网格分辨率更详细地描述稠密颗粒间的流场，并有效地捕捉微球间的粘附力学。
2020-10-20 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Beyond Poisson-Boltzmann: Numerical sampling of charge density fluctuations
提出了一种对库仑体系中电荷密度涨落进行采样的方法。推导如下从一个功能的积分表示的配分函数在电荷密度波动。从Poisson-Boltzmann方程给出的平均场解出发，提出了一种通过传播类Langevin随机偏微分方程（SPDE）来数值采样其周围波动的方法.可以选择SPDE的扩散张量，以避免与长程库仑相互作用相关的数值复杂性，有效地使理论完全局部化。一个有限体积的实现的SPDE进行了描述，并说明了该方法的初步研究结果的系统由两个相同的电荷离子浸没在浴中的反离子。
2016-03-18 cond-mat.soft
A simple algorithm to implement jump boundary conditions within the lattice Boltzmann method
提出了一种在格子玻尔兹曼方法（LBM）中实现非定常跳跃边界条件的算法。这对于解决涉及通过表现出对传输的阻力的界面或膜的质量或热传递的问题是有用的。该算法是简单的，以实现在现有的LBM为基础的代码，计算扩散和平流的标量场，无论是温度或溶质浓度。解析解恢复数值与可接受的精度的限制情况下的平面膜。该算法适用于移动自由边界和采用任意几何形状时，结合浸入边界法。这是通过模拟控制释放的溶质从一个固定的刚性粒子和从一个移动的可变形粒子。
2018-11-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
A Stochastic Immersed Boundary Method for Fluid-Structure Dynamics at Microscopic Length Scales
在这项工作中，它示出了如何浸没边界法（Peskin 2002）的建模柔性结构浸没在流体中可以扩展到包括热波动。本文提出了一种随机数值方法，它通过系统地处理流体和浸没结构在长时间步长内的最快动力学的统计贡献来处理方程组中的刚度。数值方法的一个重要特征是可以采取时间步长，其中流体的自由度完全欠解析、部分解析或完全解析，同时保持良好的精度水平。在这些制度的误差估计给出的方法。此外，还进行了一些理论和数值检查，以评估其物理保真度。对于一个保守力，该方法被发现模拟粒子与正确的玻尔兹曼平衡统计。三维数值模拟结果表明，该方法模拟的浸没粒子扩散过程具有正确的物理参数标度。该方法还示出，以再现一个众所周知的流体动力学效应的布朗粒子，其中的速度自相关函数表现出代数τ ^（-3/2）衰减很长一段时间。一些初步的结果更复杂系统，展示了一些潜在的应用领域的方法。
2009-10-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Structure of cylindrical electric double layers: Comparison of density functional and modified Poisson-Boltzmann theories with Monte Carlo simulations
采用改进的Poisson Boltzmann理论和密度泛函方法研究了圆柱形双层结构。在双电层模型中，电极是一个无限长、不可穿透且均匀带电的圆柱形聚离子。聚离子浸没在嵌入在介电连续体中的等尺寸刚性离子的海洋中。理论预测的zeta电位，平均静电势，和电极离子单重态密度分布的深入比较与相应的蒙特卡罗模拟数据。这些理论被认为是一致的，在他们的预测，包括离子直径，电解质浓度和电极表面电荷密度的变化，也能够很好地再现一些新的和现有的Monte Carlo结果。
2013-12-17 cond-mat.soft
Effective charge of cylindrical and spherical colloids immersed in an electrolyte: the quasi-planar limit
本文研究了单个圆柱形或球形大离子在1：1对称电解液中的非线性Poisson-Boltzmann理论，以及1：2和2：1不对称电解液中的非线性Poisson-Boltzmann理论。我们专注于制度，其中$κa $，宏观离子半径$a$的比例在体电解质的逆德拜长度，是大的。分析结构的解析展开出现从多尺度分析，我们发现了一个隐藏的结构的静电势。这个结构，它出现后，一个启发式的重申，提出了一个新的和方便的扩展方案，我们提出并详细制定。我们表明，新的精确结果，从而可以得到，特别是有关有效电荷的性质，在完全符合直接数值解的问题。
2015-05-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Lattice Boltzmann simulations of soft matter systems
本文研究了连续介质中粒子动力学的数值模拟。作为原型系统，我们考虑胶体分散体的球形颗粒和解决方案的不带电的聚合物。在简要解释了流体动力相互作用的概念后，我们对已经开发的各种模拟方法进行了概述，以应对由此产生的计算问题。然后，我们专注于我们已经开发的方法，它耦合的质点系的晶格玻尔兹曼模型代表的溶剂自由度。标准的D3Q19晶格玻尔兹曼模型推导和解释深入，其次是溶剂和溶质耦合的补充方法的详细讨论。胶体分散体最好用在表面具有适当边界条件的扩展颗粒来描述，而具有内部自由度的颗粒更容易模拟为与溶剂摩擦耦合的质点的排列。在这两种情况下，特别注意以一致的方式模拟热波动。从我们自己的研究，胶体和聚合物系统的动力学研究在平衡和非平衡的情况下，这种方法的有用性说明。
2008-06-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dielectric permittivity of water confined in stacks of charged lipid layers: extracting profiles from molecular dynamics simulations using a modified Poisson-Boltzmann equation
Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, Institut Lumière Matière（里昂第一大学，法国国家科学研究中心，光物质研究所）；UPR 22/CNRS, Institut Charles Sadron, Université de Strasbourg（斯特拉斯堡大学，法国国家科学研究中心查尔斯·萨德龙研究所）
本文提出一种修改的泊松-玻尔方程模型，用于研究水在带电脂层堆叠中的介电极化率剖面，揭示脱水导致的膜间吸引现象。
2025-09-12 cond-mat.soft physics.chem-ph
Computer simulations of an impurity in a granular gas under planar Couette flow
在这项工作中，我们提出的结果从数值解，通过直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法，玻尔兹曼和玻尔兹曼-洛伦兹方程的杂质浸没在颗粒气体下平面Couette流。DSMC的结果进行了比较，最近的动力学模型为同一问题的精确解。结果证实，在稳定状态下，在很宽的参数值范围内，杂质的状态受制于主体气体的状态：它遵循相同的流速分布，其浓度（相对于颗粒气体的浓度）在体区域中是恒定的，并且杂质/气体温度比也是恒定的。我们还确定的流变性能和非线性流体动力学输运系数的杂质，发现一个很好的半定量的DSMC结果和理论预测之间的协议。
2011-07-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Numerical simulations of complex fluid-fluid interface dynamics
两种流体之间的界面是普遍存在的，并且对于工业应用特别重要，例如，乳液的稳定化。流体-流体界面的动力学很难研究，因为这些界面通常是可变形的，并且它们的形状事先不知道。由于实验不能提供所有感兴趣的观测量，计算机模拟提出了有吸引力的替代方案，以深入了解界面的物理。在这篇文章中，我们限制自己的系统与横向接口扩展的尺寸相当。我们提供了一个关键的讨论三个数值方案耦合到格子玻尔兹曼方法作为一个解决方案的流体动力学的问题：（a）用于模拟囊泡和胶囊的浸没边界方法，多组分流体Shan-Chen赝势方法结合（b）表面活性剂模拟的附加对流-扩散分量和（c）一个分子动力学算法模拟纳米粒子作为乳化剂。
2013-03-28 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
General coarse-grained red blood cell models: I. Mechanics
我们提出了一个严格的程序来获得粗粒度的红细胞（RBC）模型，这导致现实的红细胞准确的力学性能。基于半解析理论，红细胞膜的线性和非线性弹性性质可以与光镊拉伸实验中获得的性质相匹配。此外，我们开发了一个几乎无应力的模型，避免了一些现有的RBC模型的陷阱，如非双凹平衡形状和RBC的机械性能的三角质量的依赖。所提出的RBC模型适用于许多现有的数值方法，例如格子Boltzmann、多粒子碰撞动力学、浸入边界等。
2009-05-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Fluctuations of elastic interfaces in fluids: Theory and simulation
我们研究了弹性界面-膜-浸没在热激发流体中的动力学。这项工作包括三个组成部分：数值方法的发展，一个纯理论的方法，数值模拟。在发展数值方法时，我们首先讨论了界面和周围流体之间的动力学耦合。然后提出一个参数，概括了单弛豫时间格子玻尔兹曼方法的模拟流体力学界面，包括边界的弹性性质。概述了新方法的实施，并通过模拟球形气泡的静态行为和弯曲波的动态来测试。利用涨落耗散定理，解析地得到了热涨落膜的平衡频率功率谱和激励的关联函数。同时，推导了膜粗糙化的非平衡标度性质，得到了描述界面生长的标度律W^2（L，T）=L^3 g[t/L^（5/2）]，其中W，L和T分别为界面宽度，系统线性尺寸和温度，g为标度函数.最后，模拟了热脉动膜的现象，并恢复了频率功率谱，证实了波动的关联函数的衰减。作为波动的弹性界面的进一步数值研究，非平衡制度再现初始化系统作为一个界面浸没在热预激发流体。
2000-06-14 cond-mat.soft nlin.CG
Energy nonequipartition in gas mixtures of inelastic rough hard spheres: The tracer limit
本文研究了均匀冷却状态下，示踪粒子或杂质粒子浸入非弹性粗糙硬球组成的宿主气体中的动力学性质。具体而言，通过探索系统的控制参数（质量，惯性矩，尺寸和恢复系数）的宽范围的值，其特征在于由示踪剂/主机比率的平移和旋转温度的能量均分的故障进行分析。三个互补的方法被认为是。在理论方面，Boltzmann和Boltzmann-Lorentz方程（均假设分子混沌）通过多温麦克斯韦近似的速度分布函数来求解。这使我们能够获得温度比的显式解析表达式。在计算方面，使用了两种不同的技术。首先，动力学方程数值求解的直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法。其次，对稀气体进行了分子动力学模拟。理论和模拟之间的比较表明，一般良好的协议。这意味着（i）分子混沌对温度比的影响并不显著（除了在高非弹性和/或大杂质）和（ii）简单的麦克斯韦近似产生相当可靠的预测。
2019-09-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Thermophoretic motion of a charged single colloidal particle
本文结合线性化流体力学与非线性 Poisson-Boltzmann 方程，数值研究滑移表面带电胶体在温度梯度下的热泳漂移，并验证其与理论及 DNA、聚苯乙烯微珠实验的一致性。
2023-04-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
