基于相空间的复杂物理场建模与分析方法

评述两个基于相空间的建模与分析方法及其应用。第一个是基于闵可夫斯基泛函的形态分析方法,第二个是基于离散玻尔兹曼方程的建模与分析方法。两者均是统计物理学相空间描述方法的进一步发展:以相对独立的行为特征量为基,构建相空间,使用该相空间和其子空间来描述系统的行为特征;该相空间中的一个点对应系统的一组行为特征;两点间的距离d可用来描述两组行为特征的差异,其倒数可用来描述两组行为特征的相似度(S=1/d);一段时间内两点间距离的平均值d可用来描述两个动理学过程的差异,其倒数可用来描述这两个动理学过程的相似度(S_(p)=1/d)。从历史角度,基于闵可夫斯基泛函的形态相空间分析方法在先,接受其启发是离散玻尔兹曼方法朝着相空间描述方法发展过程中的关键环节。形态分析方法独立于数据来源,因而离散玻尔兹曼模拟得到的结果,除了可以使用其自带的分析功能之外,还可进一步使用形态分析方法获得另一个层面或视角的认识。在复杂介质动理学研究中,这两个方法从不同的视角,使得许多以前无法提取的信息得以分层次、定量化研究。

多相流系统的离散玻尔兹曼研究进展

针对多相复杂流体系统模拟研究,简要介绍从格子气模型到离散玻尔兹曼方法的发展历程。从统计物理学基本原理出发,通过粗粒化建模思路,给出玻尔兹曼方程;分析Chapman-Enskog多尺度展开方法所蕴含的测量逐步细化的物理图像,给出离散玻尔兹曼建模的基本原则和主要步骤。简要介绍离散玻尔兹曼在相分离、燃烧、流体不稳定性等系统中的应用。对于多相复杂流体系统的动理学建模,技术关键是分子间作用力和化学反应贡献的引入。不同颜色的示踪粒子的引入,使得在单流体理论框架下即可实现混合过程中物质粒子来源的确定;示踪粒子在其速度相空间的分布所形成的结构蕴含丰富的流场信息,为复杂流场研究张开一个全新的视角。在多介质情形,离散玻尔兹曼建模与动理学宏观建模的对应关系是一对多。随着系统非平衡程度加深,相对于动理学宏观建模与模拟思路,离散玻尔兹曼建模与模拟的复杂度上升速度较慢。作为系统行为粗粒化描述的一种物理模型构建方法,离散玻尔兹曼根据研究需求,选取一个视角,研究系统的一组动理学性质,因而要求描述这组性质的动理学矩在模型简化过程中保值;是动理学直接建模方法的一种,为连续介质建模失效或物理功能不足、而分子动力学方法因适用尺度受限而无能为力的介尺度情形提供了一条方便、有效的研究途径。

Vortex of Fluid Field as Viewed from Curvature

The vortex is a common phenomenon in fluid field. In this paper, vortex can be represented by curvature c, which varies with arc length s. The variance of point (x, y) with arc length in stream line satisfies a 2-order variablecoefficient linear ordinary differential equation. The type vortex can be analyzed qualitatively by this ordinary differential equation.