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。

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。

Modeling of shear induced coarsening effects in semi-solid alloys

In long-term rheological shear experiments with semi-solid alloys, coarsening of the particles will falsify the interpretation of the experimental results.The coarsening is intensified by the shear induced convection and the mean size of the particles is changed significantly during the experiments.A simple model has been set up which takes the influence of the convection into account.The resulting growth law has been simplified for diffusion and convection dominated growth.The growth law was verified with shear experiments in a Searl-rheometer with A356 and tin-lead alloys.The experiments demonstrated that under convection the growth follows a linear time law and that the rate constant depends on the root of the shear rate.The correction of experimental results to gain the true viscosity function is demonstrated for a shear jump experiment with A356.