多模态瑞利-泰勒不稳定性的离散玻尔兹曼数值研究

瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性广泛存在于自然界和工程领域,认清RT不稳定性演化过程中的物理机理具有重要的理论意义和实用价值。本文利用离散玻尔兹曼方法模拟了可压缩流体的RT不稳定性现象,并利用该方法对界面连续的随机多模初始扰动的可压缩RT不稳定性进行了数值研究。研究结果表明,在温度梯度的影响下,与热通量相关的热力学非平衡强度呈现先增大后减小的趋势;在热扩散作用下,界面上的热力学非平衡强度先减小后增大,继而影响热力学非平衡区域的占比,使之呈现相同的变化趋势。最后,分析了全局平均热力学非平衡强度随时间的演化规律,发现在宏观物理量梯度和热力学非平衡面积的共同作用下,全局平均热力学非平衡强度先增后减,最后趋于稳定。不仅如此,热力学非平衡区域面积的增大(减小)会增强(减弱)热力学非平衡的强度;同时,物质界面物理量梯度的增大(减小)对全局平均热力学非平衡强度也有相同的影响,二者相互作用、相互竞争。

含重力多相流系统的离散玻尔兹曼建模

本文提出了适用于含重力多相流系统的离散玻尔兹曼模型(DBM)。该模型基于动理学理论,使用形式统一的离散Boltzmann方程描述多相流的演化过程。在方程右侧,加入相变源项用于描述相变现象,同时引入了外力项,用于描述重力场的影响。该DBM使用二维33速模型,此速度模型是基于Hermite多项式理论建立的。通过Chapman-Enskog多尺度分析可以证明,该DBM除了能够恢复包含分子间相互作用和外力的Navier-Stokes方程组之外,还具有描述一定热力学非平衡行为的功能。最后,通过四个数值算例(自由落体,气液共存曲线,Sod激波管,气泡融合)验证DBM的正确性。

基于LBM的高性能图像同步降噪增强算法

为有效解决生物工程图像处理过程中存在的图像反差低下、噪声污染严重及优化处理效果不佳等问题,基于离散格子玻尔兹曼方法,依据离散格子玻尔兹曼方法的高精准度、高稳定性、高效性能等优点,提出一种改进优化的同步降噪增强算法(L-SDE)。设计分段线性拉伸方法,将其作为外在因素添入离散格子玻尔兹曼方法计算过程,实现同步降噪与反差增强功能。实验结果表明,该算法与其它类型算法相比,图像处理效果以及算法时间复杂度更加具有优势。

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。

激波/平板层流边界层干扰熵增特性

超声速流动中存在着复杂的激波/边界层干扰现象。在激波/边界层干扰中,激波引起的“波阻”和边界层引起的“摩擦阻力”是气动阻力的主要来源,而这两种阻力均与熵增直接相关,因而熵增是评估超声速流中气动阻力的关键参数。采用基于非平衡统计物理学的离散玻尔兹曼方法(DBM)对高马赫数规则反射及激波/层流平板边界层干扰问题进行了仿真研究,借助高阶非守恒动理学矩,DBM可以方便地捕捉黏性和热流等热力学非平衡效应,并定量化研究两者引起的熵产生率。结果表明:对于规则反射,反射激波中的非平衡强度强于入射激波;对于激波/层流平板边界层干扰,激波中黏性引起的熵产生率占主导,边界层中热流引起的熵产生率占主导,两种熵产生率的强度均随马赫数的增加而增强。研究结果可为评估进气道内的流动品质提供理论指导。