Central-moment-based discrete Boltzmann modeling of compressible flows
本研究构建了基于中心矩的可压缩流动离散玻尔兹曼方法，可直接给出热涨落相关非平衡效应，经多类基准算例验证，数值结果与理论预测高度吻合。
2025-02-24 physics.flu-dyn
Discrete Boltzmann model at Burnett level for compressible multicomponent flows under external forces
Fujian Normal University（福建师范大学）；Sun Yat-sen University（中山大学）；Beijing Institute of Technology（北京理工大学）
研究将伯内特水平离散玻尔兹曼模型扩展到外力作用下的多组分可压缩流，采用高各向同性离散速度集和矩匹配策略，经查普曼-恩斯科格展开验证，并通过五个基准案例验证，该模型能高精度捕捉相关特征。
2026-07-23 physics.flu-dyn
A Lattice Boltzmann Relaxation Scheme for Inviscid Compressible Flows
发展了一种新的适用于可压缩流体流动的格子玻尔兹曼方法。这种方法是基于用松弛系统代替控制方程，并将松弛系统的对角形式解释为离散速度玻尔兹曼系统。作为这种解释的结果，局部平衡分布函数是守恒变量和通量的简单代数函数，而没有传统格子玻尔兹曼方法（LBM）的平衡分布中存在的低马赫数展开。这种新的格子Boltzmann松弛格式（LBRS）克服了低马赫数的限制，可以成功地模拟可压缩流动。在这样做的同时，我们的算法保留了传统LBM的所有显著特征。对一维和二维无粘流动的数值模拟表明，该方法可以模拟激波和膨胀波等可压缩流动的特征。
2015-04-27 nlin.CG physics.flu-dyn
Consistent lattice Boltzmann model with body force and heat source for compressible flows of generic fluids
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
本文提出一种双分布函数格子玻尔兹曼框架，一致引入体积力与热源，恢复含Korteweg应力的纳维-斯托克斯-傅里叶方程，经多基准验证达二阶精度，适用于理想及非理想多相可压缩流动。
2026-09-25 physics.flu-dyn
Probing double distribution function models in the lattice Boltzmann method for highly compressible flows
本文针对高速可压缩流动场景，对格子玻尔兹曼方法的三类双分布函数能量分配模型开展理论与数值对比，证实总能量拆分方案综合性能最优。
2024-05-19 physics.flu-dyn
Three-dimensional discrete Boltzmann models for compressible flows in and out of equilibrium
我们提出了一系列的三维离散玻尔兹曼（DB）模型的可压缩流动和平衡。其关键技术是通过反求平衡分布函数所满足的动力学矩关系，构造离散的平衡分布函数。关键的物理要求是，所有使用的动力矩关系必须符合非平衡统计力学。这种动力学模型的必要性在于，随着流动复杂性的增加，非平衡态的动力学表征和本构关系的理解需要高阶动力学矩及其演化。该方案提出的欧拉和Navier-Stokes水平的DB模型通过几个著名的基准测试进行了验证，从一维到三维。特别是当局部马赫数、温度比和压力比分别为$10^2$、$10^4$和$10^5$时，模拟结果仍然与黎曼解非常一致。指出了如何用DB模拟更深层次的热力学非平衡流动。用DB方法可以方便地模拟非平衡流动，而不需要知道流体动力学方程的精确形式。
2017-10-25 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann model for weakly compressible flows
提出了一种基于晶格的能量守恒格子Boltzmann模型，用于模拟弱可压缩流动。讨论了构建这种模型的理论要求和方法。我们证明，该模型恢复等熵声速除了粘性加热和热通量动力学的影响。几个测试用例的声学，热和热声流模拟所提出的模型的准确性。
2019-09-15 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.flu-dyn
Specific heat ratio effects of compressible Rayleigh-Taylor instability studied by discrete Boltzmann method
瑞利-泰勒（RT）不稳定性广泛存在于自然界和工程领域。如何更好地理解RT不稳定性的物理机制具有重要的理论意义和实用价值。目前，用传统的宏观方法已经得到了大量关于RT不稳定性的结果。然而，对系统演化过程中的热力学非平衡效应的研究相对较少。本文利用基于非平衡统计物理的离散Boltzmann方法研究了比热比对可压缩RT不稳定性的影响。利用温度梯度和非平衡区所占比例可以分析不同比热比的可压缩RT系统的演化过程。首先，由于宏观震级梯度与非平衡区的竞争，平均TNE强度先增大后减小，且随着比热比的减小而增大;比热比对粘性应力张量的整体强度也有相同的影响。其次，y方向总温度梯度偏离定值的时刻可作为判断涡结构形成的物理判据。第三，在两种流体温度梯度和接触面积的竞争下，与热流密度有关的非平衡量的平均强度表现出差异性，比热比的影响也相当显著。
2021-07-08 physics.flu-dyn
Burnett-level discrete Boltzmann modeling of compressible flows under force
本文提出一种外力场下可压缩流动的Burnett级离散玻尔兹曼模型，构建25速度离散速度集并用矩阵求逆满足矩关系，通过五个典型算例验证其能恢复Burnett方程并捕捉热力学非平衡行为。
2025-02-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Cubature rules for weakly and fully compressible off-lattice Boltzmann methods
非格子玻尔兹曼方法通过解耦时间、空间和粒子速度的离散化来增加格子玻尔兹曼方法的灵活性和适用性。然而，在非晶格玻尔兹曼模拟中主要使用的速度集最初是针对格子玻尔兹曼方法定制的。在这篇文章中，我们展示了如何通过从体积规则（即多元求积）推导出的速度集来提高弱可压缩和完全可压缩半拉格朗日非格子Boltzmann模拟的准确性和效率，而这些速度集不是由高斯积产生的。规则。特别是，二维激波-涡干扰的模拟表明，立方导出的九次D2 Q19速度集能够取代高斯乘积规则导出的D2 Q25。同样，五度速度设置D3 Q13和D3 Q21，以及七度D3 V27速度设置成功地测试了3D泰勒-格林涡流，以挑战和超越常规D3 Q27速度设置的质量。在马赫数Ma={0.5;1.0;1.5;2.0}的可压缩三维Taylor-Green涡流中，采用速度集D3 Q103和D3 V107的格点上模拟仅显示有限的稳定性，而非格点九度速度集D3 Q45精确地再现了文献提供的动能。
2021-06-29 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Compressible Fluids with Maxwell-type equations, the minimal coupling with electromagnetic field and the Stefan-Boltzmann law
本文给出了带电流体与电磁流体耦合的高导数拉格朗日量，并讨论了狄拉克约束分析。得到了一组由非协变规范条件确定的第一类约束。利用路径积分方法得到相应高阶导数哈密顿量的配分函数，并利用Faddeev-Popov方法构造有效拉格朗日量.通过配分函数得到了Stefan-Boltzmann型定律。
2016-07-11 cond-mat.other physics.flu-dyn
A Novel Velocity Discretization for Lattice Boltzmann Method: Application to Compressible Flow
本文提出一种基于bump函数的新型速度离散化方法，通过引入均值和方差自由度使平衡矩匹配至三阶矩，从而恢复可压缩流体的宏观方程，并用基准模拟验证了方法的有效性。
2024-12-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.flu-dyn
Vectorial lattice Boltzmann solver for compressible inviscid flows with generic equation of state
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
本文提出一种带时空自适应松弛系数和自适应时间步进的矢量格子玻尔兹曼模型，用于一般状态方程的可压缩欧拉流，在无激波时二阶收敛，能捕获理想及非理想气体动力学。
2026-09-11 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Thermodynamic nonequilibrium effects in three-dimensional high-speed compressible flows: Multiscale modeling and simulation via the discrete Boltzmann method
本文针对三维高速可压缩流动中的热力学非平衡效应，发展了精确到克努森数二阶的离散玻尔兹曼模型，推导了三维非线性本构关系，并通过多尺度算例验证了模型捕捉黏性应力和热流等非平衡效应的能力。
2025-04-10 physics.flu-dyn
A discrete Boltzmann model with state-dependent power-law relaxation time for nonequilibrium transport in compressible flows
Fujian Normal University（福建师范大学）；North China Institute of Aerospace Engineering（北华航天工业学院）；Laoshan Laboratory（崂山实验室）；Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院大气物理研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
本文提出了一种具有密度和温度依赖幂律弛豫时间的离散玻尔兹曼模型，用于研究压缩流体中非平衡传输现象，通过验证Sod冲击管和解析解，展示了模型在冲击波、稀疏波和接触不连续性中的准确恢复能力，并分析了粘性应力和热流的相图。
2026-05-18 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann modeling and simulation of compressible flows
本文综述了本课题组近年来在格子玻尔兹曼（LB）模型和可压缩流动模拟方面的研究进展。主要内容包括：（i）附加粘度的单弛豫时间（SRT）LB模型，（ii）多弛豫时间（MRT）LB模型，（iii）流体动力学不稳定性的LB研究。前两种属于物理建模的改进，第三种属于仿真或应用。SRT-LB模型在保持原有LBGK模型框架的基础上，引入了附加粘性。因此，对于以前的SRT-LB用户来说，它更容易，更方便。MRT-LB是一个全新的物理建模框架。它大大扩展了LB的应用范围。代价是更长的计算时间。所开发的SRT-LB和MRT-LB在方便性和适用性方面具有互补性。
2012-09-17 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Multiple-Relaxation-Time Lattice Boltzmann Approach to Compressible Flows with Flexible Specific-Heat Ratio and Prandtl Number
提出了一种新的多松弛时间格子Boltzmann格式，用于求解具有任意比热比和普朗特数的可压缩流动。新格式基于二维16离散速度模型，根据局部平衡分布函数的七阶矩关系构造了矩空间和相应的变换矩阵。在连续极限下，该模型恢复了可压缩纳维-斯托克斯方程，并引入了灵活的比热比和Prandtl数。数值实验表明，本模型可以模拟马赫数达$Ma \sim 5$的强激波可压缩流动。
2010-06-01 cond-mat.soft cs.CE nlin.CG
Lagrangian entropic lattice Boltzmann method for Courant-free supersonic compressible flow simulation
本文提出拉格朗日熵格子Boltzmann方法（LELBM），通过结合正则化中心矩碰撞、双分布函数、拉格朗日声学模板及熵群体重构等技术，突破了传统超音速流的限制，实现了稳定高效的无Courant数显式时间步进模拟，并大幅降低内存需求。
2025-08-09 physics.flu-dyn
Parametric Lattice Boltzmann Method
利用拉格朗日插值多项式通过离散速度相关点的系数和Maxwell-Boltzmann分布的矩，给出了格子玻尔兹曼方法的离散平衡分布.提供正值分布的流速和温度的范围随着调节离散速度作为参数而变化。本文提出了一种新的等温和热可压缩纳维-斯托克斯方程水平的流动模型。本文仅用五个网格上的离散速度来模拟热可压缩激波管流动。用参数化模型模拟了由Kelvin-Helmholtz不稳定性引起的二维等温涡和热涡。
2017-03-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A decoupled scheme based on the Hermite expansion to construct lattice Boltzmann models for the compressible Navier-Stokes equations with arbitrary specific heat ratio
提出了一种基于Hermite展开的解耦格式，用于构造具有任意比热比的可压缩纳维-斯托克斯方程的格子Boltzmann模型。将包含粒子转动速度的局部平衡分布函数解耦为两部分，即粒子平动速度的局部平衡分布函数和粒子转动速度的局部平衡分布函数。从这两个局部平衡函数出发，通过Hermite展开，导出了两个格子Boltzmann模型，一个与平动速度有关，另一个与转动速度有关。因此，分布函数也被解耦。然后将演化方程解耦为平动速度演化方程和转动速度演化方程。两个演化方程分别演化。该格式中的格子Boltzmann模型是通过Hermite展开来构造的，因此很容易构造新的高阶精度格式。为了验证所提出的方案，激波管模拟。数值结果与解析解吻合得很好。
2016-08-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Two-fluid discrete Boltzmann model for compressible flows: based on Ellipsoidal Statistical Bhatnagar-Gross-Krook
提出了一种基于椭球统计Bhatnagar-Gross-Krook（ES-BGK）的双流体离散Boltzmann模型（DBM）。该模型具有灵活的普朗特数或比热容比。在数学上，该模型由两个耦合的离散玻尔兹曼方程（DBE）组成。每个DBE描述流体的一个组分。物理上，该模型等价于基于NS方程的宏观流体模型，并补充了一个用于热力学非平衡行为的粗粒度模型。为了获得灵活的普朗特数，在椭球统计分布函数中引入一个系数来控制粘度。为了得到一个灵活的比热比，在能量动能矩中引入一个参数来控制额外的自由度。对于二元混合物，宏观流体模型和DBM模型之间的对应关系可能是几对一。通过五个典型的基准测试对模型进行了验证。一些有趣的非平衡结果，这是在NS模型或单流体DBM中不可用的。
2020-12-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Improved compressible Hybrid Lattice Boltzmann Method on standard lattice for subsonic and supersonic flows
提出了一种适用于亚、超声速可压缩流场数值模拟的D2 Q 9混合格子玻尔兹曼方法（HLBM）。该HLBM是Feng等人[12]模型的扩展，通过不同的测试案例发现，该模型在超音速状态下不稳定。这些改进包括：（1）格点闭合修正项的新的离散化使得正确地模拟超音速流成为可能，（2）考虑多原子气体的修正的粘性应力张量，以及（3）粘性热产生项的新的离散化与正则化形式主义拟合。其结果是一个混合的方法，解决了质量和动量方程与LBM算法，并解决了基于熵的能量方程与有限体积法。这种方法完全恢复了与理想气体状态方程的Navier-Stokes-Fourier方程的物理性质，并适用于从亚音速到超音速的区域。然后，它成功地评估与平稳流和流动涉及冲击。所提出的模型被证明是一个有效的，准确的，和鲁棒的替代经典的Navier-Stokes方法的模拟可压缩流
2020-11-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A fully conservative discrete velocity Boltzmann solver with parallel adaptive mesh refinement for compressible flows
本文提出了一种并行全守恒自适应网格细化（AMR）的有限体积动力学求解器，结合双种群准平衡Bhatnagar-Gross-Krook离散速度玻尔兹曼模型，严格保持守恒定律，准确恢复宏观矩，显著降低计算成本和内存占用，适用于中等超音速可压缩流体动力学模拟。
2025-03-10 physics.flu-dyn
Discrete Boltzmann modeling of high-speed compressible flows with various depths of non-equilibrium
高速非平衡可压缩流动在工程和科学中有着广泛的应用。随着热力学非平衡研究的不断深入，需要用分布函数的高阶非守恒动力学矩来刻画流动状态和演化过程的主要特征。基于椭球统计的Bhatnagar-Gross-Krook模型，发展了考虑TNE效应的不同阶数（从一阶到六阶）的离散Boltzmann模型（DBMs），用于研究TNE不同深度的流动。具体来说，首先，两种类型的一维Riemann问题和Couette流被用来显示模型的能力，以捕捉大的流动结构与零阶和一阶TNE效应，分别。然后，用直接模拟蒙特卡罗方法给出的激波结构验证了该模型在分子平均自由程水平上捕捉精细结构的能力。进一步，我们着重研究了两个流体碰撞的TNE度。引入五分量向量$\mathbf{S}_{TNE} = (τ, Δ\mathbf{u}, ΔT, \bm{Δ_{2}^{*}},\bm{Δ_{3,1}^{*}})$来粗略地表征TNE度。研究发现，从不同的角度得到的TNE强度是不同的。这些发现表明，只关注少数动力学时刻出现在Navier-Stokes方程的不足增加的程度的离散性和偏离热力学平衡。最后，一个二维自由射流模拟表明，要获得满意的流体动力学量，DBM应包括至少三阶TNE效应。
2022-09-03 physics.flu-dyn
Semi-Lagrangian lattice Boltzmann method for compressible flows
本文深入研究了可压缩流动的半拉格朗日格子玻尔兹曼（SLLBM）求解器。与其他可压缩流的LBM相比，顶点被组织在单元中，并且使用高达四阶的插值多项式来获得离顶点分布函数值。与最近引入的按需粒子（PoD）方法不同，该方法在静态、非移动参考系中操作。然而，本公式中的SLLBM允许超音速流动，并表现出高度的伽利略不变性。SLLBM求解器允许独立的时间步长，这是由于沿特征线的积分以及使用不寻常的速度集，如D2 Q25，它是由五阶Hermite多项式的根构造的。本模型的属性显示在不同的例子模拟的二维泰勒-格林涡，一个Sod激波管，一个二维黎曼问题和激波-涡相互作用。结果表明，基于细胞的插值和使用的高斯-Lobatto-Chebyshev支持点允许空间高阶的解决方案，并尽量减少插值所造成的质量损失。激波-涡干扰中的变换网格对非均匀网格具有普遍适用性。
2020-04-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Consistent lattice Boltzmann model for multicomponent mixtures
本文提出了一种新的多元理想气体混合物的格子Boltzmann模型。模型开发包括两个部分。首先，提出了一个新的动力学模型的Stefan-Maxwell扩散之间的物种，并实现为一个格子玻尔兹曼方程的标准离散速度集。其次，建立了一个可压缩格子Boltzmann模型的动量和能量的混合物。这两个部分始终耦合通过混合物成分，动量，压力，能量和焓，从而避免了被动标量对流扩散耦合，不像以前的方法。所提出的模型实现了标准的三维格子，并验证了一组基准突出的可压缩混合物的各个物理方面。Stefan-Maxwell扩散是针对氩气和甲烷在含有氢气的三元混合物中的上坡扩散的实验和理论进行测试的。声速是在各种二元和三元组合物中测量的。我们进一步验证Stefan-Maxwell扩散耦合与流体动力学通过模拟扩散在相反的射流和三维Kelvin-Helmholtz不稳定性的剪切层中的两种成分的混合物。除了多组分可压缩混合物，建议的格子Boltzmann模型还提供了一个扩展的格子Boltzmann方程的可压缩流制度的标准三维格子。
2020-04-23 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Discrete Boltzmann trans-scale modeling of high-speed compressible flows
我们提出了一个通用的框架，用于构建跨尺度\emph{discrete Boltzmann models}（DBMs）的高速可压缩流动范围从连续过渡制度。这是通过设计一个高阶离散平衡分布函数，满足额外的非流体动力学的动力矩。为了刻画\emph{% thermodynamic non-equilibrium}（TNE）效应的特征，并估计不同水平DBM的使用条件，提出了两个新的度量：（i）相对TNE强度，描述（$N+1$）阶TNE效应对$N$阶TNE效应的相对强度;（ii）DBM模拟与相关理论分析之间的TNE差异.在建模中是否应考虑高阶TNE效应以及应采用哪种DBM水平，最好由相对TNE强度和/或差异来描述，而不是由Knudsen数的值来描述。作为一个模型的例子，一个二维DBM与$26$离散速度在伯内特水平制定，验证和验证。
2018-05-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann Method for Compressible Navier-Stokes-Fourier Equations
Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）；Institute of Mechanical Process Engineering and Mechanics (MVM)（机械工艺工程与力学研究所）；Institute for Applied and Numerical Mathematics (IANM)（应用与数值数学研究所）
该研究提出一种由符号编译器自动推导的三维可压缩Navier-Stokes-Fourier方程格子玻尔兹曼格式，经精确解与基准数据验证，在超音速Taylor-Green涡模拟中表现优于7种对比求解器。
2026-08-14 cs.MS physics.flu-dyn
Analysis of the absorbing layers for the weakly-compressible lattice Boltzmann schemes
格子Boltzmann格式在计算气动声学中是一种非常有效的方法。为了处理LBS的吸声边界条件问题，提出了三种阻尼项，并将其加入到LBS控制方程的右侧。从经典理论来看，这些项在吸收和减小计算边界的声波反射方面起着重要作用。同时，恢复了含阻尼项的宏观方程，用于分析阻尼项的宏观行为，确定临界吸波强度。此外，为了检测耗散和色散行为，线性化LBS与阻尼项推导和分析。通过冯诺依曼分析，在波数空间的色散和耗散性质进行了探讨。给出了相应的阻尼强度临界值和最佳吸收项。最后，一些基准问题的实施，以评估理论的结果。
2012-03-28 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
Numerical simulations of compressible Rayleigh-Taylor turbulence in stratified fluids
我们目前的瑞利-泰勒湍流的数值模拟结果，使用最近提出的格子玻尔兹曼方法能够描述一致的热可压缩流的外部强迫进行。该方法使我们能够研究系统在近Boussinesq和强可压缩制度。此外，我们表明，当分层是重要的，绝热梯度的存在下导致逮捕的混合过程。
2010-09-29 physics.flu-dyn
A linear stability analysis of compressible hybrid lattice Boltzmann methods
提出了标准格子上可压缩混合格子玻尔兹曼方法（HLBM）的谱研究方法。在这个框架中，使用格子玻尔兹曼方法（LBM）来解决质量和动量方程，而有限差分（FD）方案解决能量方程。这两个系统是相互耦合的理想气体状态方程感谢。这项工作的目的是回答一些问题，这些模型的数值稳定性，这在很大程度上取决于数值参数的选择。在这种程度上，几个一维和二维HLBM类的基础上不同的能量变量，制定（原始或保守），碰撞条款和数值方案进行审查。一旦引入适当的校正项，它表明，所有连续HLBM类恢复的Navier-Stokes傅立叶行为的线性近似。然而，当分析其离散对应物时，HLBM类别之间出现了显着差异。指出了在相对高马赫数下出现的多种不稳定机制，并介绍了两种详尽的稳定化策略：（1）通过改变参考温度$T_{ref}$来减小时间步长;（2）通过碰撞算子引入可控的数值耗散$σ$。一个完整的参数研究表明，只有HLBM类的原始和保守的熵方程的基础上发现可用于可压缩的应用程序。最后，创新性地研究了熵类的宏观模态组成。通过这项研究，两个原始的现象，被称为剪切熵和熵剪切传输，突出和标准的二维测试用例确认。
2020-06-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Discrete Boltzmann model of compressible flows with spherical or cylindrical symmetry
为了同时研究球、柱对称可压缩流动系统的流体力学和热力学行为，提出了一种在球、柱坐标系下构造球、柱对称离散Boltzmann模型（DBM）的理论框架.为此，一个关键技术是使用\emph{local}笛卡尔坐标来描述动力学模型中的颗粒速度。因此，几何效应，如发散和收敛，被描述为\textquotedblleft力项\textquotedblright。尽管流体动力学模型是一维或二维的，但DBM需要三维的离散速度模型（DVM）。我们使用一个具有26个速度的DVM来制定DBM，该DBM恢复了流体动力学极限下具有球或柱对称性的纳维-斯托克斯方程。对于具有\emph{global}圆柱对称性的系统，我们也建立了一个基于二维16速度的DVM的DBM。根据非守恒矩，我们定义了两组度量系统偏离热力学平衡态的测度。将当前模型扩展到多弛豫时间版本是简单的。
2014-03-31 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann Methods for Compressible (Magneto)hydrodynamics
Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）
提出一类新型格子玻尔兹曼方法，通过动力学公式的算法结构分离输运过程，高效求解可压缩与不可压缩磁流体动力学系统，在OpenLB中实现高达98.9%的硬件性能，并成功模拟了灵神星在超音速太阳风中的运动。
2026-05-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Supersonic Shear and Wall-Bounded Flows With Body-Fitted Meshes Using the Semi-Lagrangian Lattice Boltzmann Method: Boundary Schemes and Applications
针对可压缩湍流LBM模拟研究不足、现有方法算例简单的问题，本文为半拉格朗日LBM新增多种边界条件，首次实现高马赫数三维超声速湍流模拟，验证了其捕捉可压缩效应的能力。
2024-12-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Discrete Boltzmann model for implosion and explosion related compressible flow with spherical symmetry
为了对内爆和爆炸相关现象进行动力学建模，提出了一种球坐标系下球对称离散玻尔兹曼模型（DBM）的理论框架。为此，一个关键技术是使用\emph{local}笛卡尔坐标来描述动力学模型中的颗粒速度。因此，几何效应，如发散和收敛，被描述为\textquotedblleft力项\textquotedblright。为了更好地获得非平衡行为，即使相应的流体动力学模型是一维的，DBM也使用三维的离散速度模型（DVM）。提出了一种新的方案，使DBM无论是否考虑额外自由度，都可以使用相同的DVM。作为一个例子，一个DVM与26个速度制定的DBM构造的Navier-Stokes水平。利用DBM可以同时研究离球心不太近的内爆和爆炸过程中的流体动力学和热力学非平衡行为。将当前模型扩展到多弛豫时间版本是简单的。
2018-03-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
High-order semi-Lagrangian kinetic scheme for compressible turbulence
紊流可压缩流传统上是用显式时间积分器来模拟的，该积分器应用于纳维-斯托克斯方程的离散化版本。然而，相关的Courant-Friedrichs-Lewy条件严重限制了最大时间步长。利用玻尔兹曼方程的物质导数的拉格朗日性质，我们现在引入一个可行的三维半拉格朗日格子玻尔兹曼方法（SLLBM），它绕过了这个限制。由于三维中离散速度的数量巨大，许多用于可压缩流的格子玻尔兹曼方法被限制在二维中，而SLLBM仅使用45个离散速度。基于可压缩泰勒-格林涡模拟，我们表明，新的方法准确地捕捉激波或小激波以及湍流在3D中，而不使用额外的滤波或稳定技术，即使当时间步长的大小是两个数量级以上的文献中的模拟相比。因此，我们的新方法使研究人员第一次研究可压缩湍流的一个完全明确的计划，其范围内的容许的时间步长大小只由物理决定，而从空间离散解耦。
2021-05-17 cond-mat.stat-mech physics.comp-ph physics.flu-dyn
Grid refinement for entropic lattice Boltzmann models
我们提出了一种新的多域网格加密技术与熵不可压缩，热和可压缩格子玻尔兹曼模型的扩展。通过与已有的直接数值模拟和实验结果的比较，验证了该方法在等温、热、粘性超声速流动模拟中的有效性和准确性。特别是，我们调查的优势，网格加密的湍流通道流，流过去的一个球体，Rayleigh-Benard对流以及超音速绕流翼型的设置。重点分析了熵格子Boltzmann模型在多重网格模拟中的自适应特性。
2016-08-24 physics.flu-dyn
Positivity-preserving and entropy-bounded discontinuous Galerkin method for the chemically reacting, compressible Euler equations. Part II: The multidimensional case
本文将一维保正性、熵有界的化学反应欧拉方程间断Galerkin格式推广到多维，适配曲边单元等多种情形，可精确计算多维爆轰波，熵约束提升稳定性且满足离散守恒。
2024-01-15 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Global Spherically Symmetric Solutions of the Multidimensional Full Compressible Navier-Stokes Equations with Large Data
我们建立了完整的Navier-斯托克斯方程的Cauchy问题的多维可压缩热传导流的初始数据是大的，不连续的，球对称的，远离真空的解决方案的整体存在性。这里得到的解决方案是全球有限的总的相对能量，包括原点，而空化可能发生的球中心对称的原点之间的流体和真空的界面必须是上半连续的时空在欧拉坐标。在任何严格远离真空的区域上，速度和比内能是Hölder连续的，密度有一个均匀的上界。为了实现这些，我们的主要策略是把柯西问题作为一系列精心设计的初边值问题，制定在有限的环形区域的限制。对于这样的近似问题，我们可以推导出统一的{ \it先验}估计，这是独立的内外半径的环考虑在球对称拉格朗日坐标。利用Mazur引理和内半径极限趋于零所要求的熵函数的凸性，将外半径极限取为无穷大后，恢复了熵不等式.然后通过对欧拉坐标系下的近似解进行严格的紧性论证，得到了原问题的整体弱解.
2022-08-10 math-ph math.AP math.MP
Global Regular Solutions of the Multidimensional Degenerate Compressible Navier-Stokes Equations with Large Initial Data of Spherical Symmetry
本文研究了多维退化可压缩纳维-斯托克斯方程在球对称情况下，证明了即使初始数据较大，解仍保持全局正则，不发生空化或内爆。
2025-12-21 math-ph math.AP math.MP
High-order gas-kinetic scheme in general curvilinear coordinate for iLES of compressible wall-bounded turbulent flows
本文发展了一种用于可压缩湍流数值模拟的一般曲线坐标系下的高阶气体动力学格式（HGKS-cur）。基于坐标变换，将Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）方程从物理空间变换到计算空间。为了处理由离散点给出的一般网格，需要通过逐维拉格朗日插值构造几何度量。在计算域中采用多维加权基本无振荡（WENO）重建，重建变量为单元平均雅可比矩阵和雅可比加权保守变量，以保证空间精度。两阶段的四阶方法，这是发展的时空耦合流动求解器，用于时间离散。无粘和层流的数值算例验证了HGKS-cur的精度和几何守恒定律。作为HGKS-cur的直接应用，本文将其应用于可压缩壁面湍流的隐式大涡模拟（iLES），包括可压缩槽道湍流和可压缩周期性起伏湍流。HGKS-cur的iLES计算结果与文献中的谱方法和高阶有限体积方法的计算结果吻合较好。HGKS-cur的性能表明其作为可压缩壁面湍流和大规模分离流数值模拟的有力工具的能力。
2021-07-19 physics.flu-dyn
The reconstructed thermal lattice Boltzmann flux solver and its applications for simulations of thermal flows
热格子玻尔兹曼通量求解器（TLBFS）的提出是为了克服热格子玻尔兹曼模型的缺点。然而，作为一个弱可压缩模型，其良好的数值稳定性的机制高瑞利数的热流还不清楚。为了揭示这一机制，本文首先通过近似计算过程，推导出了具有实际数值耗散项的TLBFS宏观方程。通过有限体积法求解MEs-TLBFS，提出了重构TLBFS（RTLBFS）。详细的分析表明，这些实际的数值耗散项是TLBFS的高瑞利数热流的良好的数值稳定性的机制。更详细的数值试验表明，RTLBFS具有类似的性能TLBFS的稳定性，精度和效率。此外，本RTLBFS显示了一个明确的机制，以实现良好的数值稳定性高瑞利数流。
2022-02-27 physics.flu-dyn
Entropy and weak solutions in the thermal model for the compressible Euler equations
在可压缩流体的现有模型中，Kataoka和Tsutahara的模型（KT模型，Phys.Rev.E69，056702，2004）具有简单而严格的理论背景。这种KT模型的缺点是，如果局部马赫数超过1，它会引起数值不稳定。这种不稳定性的确切机制尚未阐明。本文利用格子玻尔兹曼方法，导出了KT模型的熵函数，其局部平衡点适合于恢复类欧拉方程。文中还给出了与上述理论论证相一致的数值算例，并表明KT模型中熵条件并不完全保证。负熵可能是激波附近非物理振荡的内在原因。与这些Karlin的微观熵方法不同，LBM计算中相应的辅助熵条件也可以从宏观版本中显式地推导出来，这为研究格子Boltzmann模型在激波计算中的数值不稳定性提供了一些启示。
2008-10-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Thermokinetic model of compressible multiphase flows
我们提出了一种新的动力学理论建模方法，使其相应的状态方程所提出的一个通用的，真正的气体模拟。该模型是基于质量，动量和能量守恒，不像格子玻尔兹曼模型，能够模拟流体表现出液体-蒸汽相变在超临界和亚临界状态。在新的动力学理论中，通过对离散粒子速度的重新标度，可以引入任意的状态方程，不同的实际气体热力学基准表明，所提出的方法可以处理大范围的可压缩多相流。
2020-02-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of the supersonic Taylor--Green vortex via the Boltzmann equation
通过直接求解六维玻尔兹曼方程，研究了可压缩Taylor--Green涡的动力学，发现分布函数相对熵与粘性耗散率强相关，且亚格子相对熵与耗散相似，为可压缩湍流封闭建模提供新视角。
2025-07-09 physics.flu-dyn
Asymptotic analysis of the lattice Boltzmann method for generalized Newtonian fluid flows
本文对广义牛顿流体在D2 Q9格点上的两种不同BGK型碰撞机制下的格子玻尔兹曼方法进行了详细的渐近分析。与基于Chapman-Enskog展开导出的可压缩纳维-斯托克斯方程不同，我们的分析直接给出了不可压缩的Navier-Stokes方程，并揭示了格子Boltzmann解的某些重要特征.此外，我们的分析提供了一个理论基础，使用迭代计算的应变率张量，这是特别有意义的广义牛顿流体。作为一个副产品，一个看似新的结构条件的广义牛顿流体被挑出来。该条件读作“应力张量的大小随着剪切速率的增加而增加”。我们验证这个条件的所有现有的本构关系，这是我们已知的。此外，它可以直接将我们的分析扩展到MRT模型或三维晶格。
2013-09-30 physics.flu-dyn
Uniform Polynomial Equations Providing Higher-order Multi-dimensional Models in Lattice Boltzmann Theory
我们提出了一组多项式方程，提供模型的格子玻尔兹曼理论的任何所需的精度水平和任何维空间的一般形式。我们明确地推导出适用于描述热可压缩流的水平的纳维-斯托克斯方程的二维和三维模型。
2011-05-10 math-ph math.MP physics.comp-ph
Local mesh refinement sensor for the lattice Boltzmann method
University of Geneva（日内瓦大学）；University of Canterbury（坎特伯雷大学）；HEPIA - Haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture（HEPIA - 景观、工程与建筑高等学院）；University of Southampton（南安普顿大学）
本文提出了一种基于动能特性的网格细化传感器，用于格子玻尔兹曼方法，能有效生成高质量网格并提升计算效率。
2022-03-01 physics.flu-dyn
Efficient supersonic flows through high-order guided equilibrium with lattice Boltzmann
提出了一种基于双分布函数的格子玻尔兹曼方法（DDF-LBM），用于模拟超音速多原子气体。该模型依赖于一个扩展的平衡态，该平衡态被构造成精确地再现麦克斯韦-玻尔兹曼分布的前13个时刻。这扩展了标准的5约束（质量，动量和能量）的方法的有效性，并导致正确的模拟热，可压缩流只有39个离散的速度在3D中。这个BGK-LBM的稳定性是通过依赖于分析计算的克努森数依赖的弛豫时间来加强的。因此，高雷诺数，超音速流可以模拟在一个有效的和优雅的方式。虽然一维黎曼问题表明了所提出的方法在零粘度极限下处理不连续性的能力，但对NACA 0012翼型（马赫数$\mathrm{Ma}=1.5$，雷诺数$\mathrm{Re=10^4}$）绕流的模拟证实了该模型在低粘度和超音速状态下的优异性能。所提出的模型比以前的5阶矩D3 Q343 DDF-LBM效率高得多，开辟了一个全新的可压缩流应用世界，可以用纯LB方法来实际解决。
2020-02-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Multiple-relaxation-time discrete Boltzmann modeling of multicomponent mixture with nonequilibrium effects
本文提出了一个多组分混合物的多重弛豫时间离散Boltzmann模型（DBM），其中考虑了可压缩、流体力学和热力学非平衡效应。它允许比热比和普朗特数可调，并适用于低速和高速流体流动。在物理方面，DBM除了与多组分纳维-斯托克斯方程、Fick定律和Stefan-Maxwell扩散方程在流体力学极限下保持一致外，还提供了更多的非平衡效应的动力学信息。DBM描述非平衡流的物理能力，超越了Navier-Stokes表示，使复杂流动中的熵产生机制的研究，特别是在多组分混合物。此外，目前的动力学模型被用来研究可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性（KHI）的非平衡行为。结果表明，在动态KHI过程中，不同的导热系数和初始温度配置下，混合程度和流体流动是相似的。在物理上，热传导和温度对KHI的形成和演化影响不大。
2020-06-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Simulation of a moving liquid droplet inside a rarefied gas region
TU Kaiserslautern（凯泽斯劳滕工业大学）；TU Darmstadt（达姆施塔特工业大学）
本文通过耦合玻尔兹曼方程和不可压缩Navier-Stokes方程，采用有限点集法（FPM）和DSMC粒子方法，模拟了稀薄气体中移动液滴的动力学行为，并在连续介质区验证了耦合解与Navier-Stokes解的一致性。
2012-02-14 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Micro-macro kinetic flux-vector splitting schemes for the multidimensional Boltzmann-ES-BGK equation
Iowa State University（爱荷华州立大学）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
研究多维玻尔兹曼-ES-BGK方程，基于分布函数微观-宏观分解开发有限体积法，通过特定投影算子及离散处理碰撞和输运项，应用于测试案例并并行化，给出缩放研究。
2026-07-17 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Reactive mixtures with the lattice Boltzmann model
本文提出了一种新的反应性理想气体混合物的格子Boltzmann模型。该模型是最近提出的多组分格子Boltzmann模型的可压缩理想气体混合物与Stefan-Maxwell扩散物种相互作用的反应流的扩展。首先，Stefan-Maxwell扩散的动力学模型增强，以适应源项会计的混合物组成的变化，由于化学反应。其次，通过在能量方程中包含生成热，底层可压缩晶格玻尔兹曼模型的动量和能量的热力学一致性允许实现由于化学反应而导致的能量和温度变化。这就避免了对温度或热量源项进行特别建模的需要。这两部分通过混合物成分、动量、压力、能量和焓保持一致的耦合。该模型使用标准的三维网格，并验证了一组基准，包括层流燃烧速度在氢-空气混合物和圆形扩展预混火焰。
2021-01-05 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
