Allen-Cahn型相场模型的移动网格方法

针对2种流体的Allen-Cahn型相场模型提出了一种自适应移动网格方法。移动网格方法包括网格重分布和偏微分方程求解2个相对独立的部分。通过求解一个类似于Poisson方程的偏微分方程组获得网格重分布,大量的网格点聚集在2种流体的界面附近从而提高了分辨率,而在其他的区域则仅有比较稀疏的网格点。Allen-Cahn模型用有限差分方法求解,其中的大型稀疏线性方程组使用代数多重网格快速算法求解。数值实验表明移动网格算法在提高分辨率和计算效率方面非常有效。

正则化相场格子玻尔兹曼两相流模型

目前,基于相场理论的格子玻尔兹曼(lattice Boltzmann,LB)模型已经被广泛应用于气-液两相流流动问题中.为了提高已有相场LB模型的数值稳定性,提出了一种新型的正则化相场格子玻尔兹曼模型(regularized lattice Boltzmann model,RLBM)用于模拟大密度比和大黏度比的气液两相流动.该模型由界面追踪和流场求解两个核心模块构成,其中界面变化采用守恒型Allen-Cahn (A-C)相场方程控制,流场演化则通过不可压NavierStokes (N-S)方程控制.首先,构建了两个正则化格子玻尔兹曼方程(lattice Boltzmann equation,LBE)分别获取流场信息和相场信息.与标准的单松弛模型不同的是,提出的模型在演化方程的碰撞项中引入了非平衡态的预前碰撞函数,且该预前碰撞项仅与宏观量有关.通过Chapman-Enskog (C-E)多尺度展开分析,证实了所提出的模型能够准确地恢复到宏观流场控制方程和相场控制方程.进一步地,为了验证本模型的有效性,模拟了4个两相流典型算例,包括静态液滴、Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性问题、气泡上升和单个液滴撞击液膜.数值结果证实了提出的模型能够准确地模拟大密度比、大黏度比、大雷诺数下的气液两相流流动问题.更重要的是,相较于传统的相场单松弛模型在小的迁移率(θ_(M)<2.0×10^(-2))下就会诱发数值方法不收敛的问题,提出的模型在模拟迁移率较小(θ_(M)=1.0×10^(-6))的复杂两相流动时表现出更好的稳定性,能够更准确地刻画界面流动,捕捉界面形态.

非守恒相场模型长时间行为的一个注记

本文讨论一类非守恒相场模型解的长时间行为 .证明了当 t→∞时 ,对任意 m≥ 1 ,解在Cm(Ω)中收敛于对应稳态问题的解 .

一类固固相变的相场模型弱解的定性研究

证明了由一类非线性退化抛物型方程组成的偏微分方程模型带有Neumann边界条件的初边值问题弱解的存在性,并将该模型应用到描述形状记忆合金等智能材料中的马氏体相变。也研究了其解的大时间行为,当t→!时,得到了在L!(Ω)中,S-S-→0,其中Ω=(a,d),S-表示S在Ω中的平均值。

剪切应力下扩展位错穿越孔洞和夹杂相的相场模拟

利用结合了相场微弹性理论和位错派纳模型的相场方法,数值模拟研究了面心立方晶体铝和铜中剪切应力下扩展位错穿越孔洞和夹杂相的过程.相场微弹性理论用来计算位错和孔洞/夹杂相之间的长程弹性相互作用,派纳模型中采用一维晶体能函数描述扩展位错结构,Ginzburg-Landau动力学方程描述位错滑移的过程.模拟结果显示位错接近孔洞时,位错先被吸引到孔洞边缘而后被钉扎最后脱离孔洞;而当位错接近夹杂相时,位错先被夹杂相弯曲而后绕过夹杂相并产生位错环.研究发现层错能比较小的情况下扩展位错接近孔洞/夹杂相时会发生层错收窄,而绕过孔洞/夹杂相时会出现领先不全位错先穿越、滞后不全位错后穿越并伴随局部层错展宽的现象.该模拟结果不仅与前人原子层次模拟结果一致,而且进一步在更长的时间尺度下揭示了应力幅值、层错能参数对扩展位错穿越孔洞/夹杂相动力学过程的影响.

相场方程指数时间差分法的能量稳定性分析

相场模型已成为计算材料科学领域模拟和预测中尺度水平微观结构演化的一项通用性很强的计算方法。本文针对Allen-Cahn方程、Cahn-Hilliard方程以及它们的耦合模型,介绍了紧致指数时间差分的解法。这种解法相比于显格式、隐格式的求解方案,具备稳定、大时间步长的优势。同时,对于所介绍的紧致指数时间差分法,本文在严格的数学意义的基础上,证明了它们是符合完全离散的能量稳定性原则,并通过数值实验验证了紧致指数时间差分法的能量稳定性、误差以及时间收敛率。