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用于模拟粘弹性不稳定性的混合晶格Boltzmann模型。 (英语) Zbl 1521.76647号

小结:当聚合物分子过度拉伸时,低雷诺数粘弹性流体表现出与弹性不稳定性增长相关的混沌行为。尽管提供了各种令人兴奋的好处,但与模拟这种复杂状态相关的数值困难,对于这些低雷诺数粘弹性不稳定性的转变和开始,仍有许多尚未探索的地方。最近,基于格子Boltzmann方法(LBM)的方法已成为研究粘弹性流体行为的一种可行的数值工具,这主要是因为LBM的简单性、适应性和固有的并行性,大量的内存需求和无法保持数值稳定性限制了之前模拟粘弹性不稳定性的尝试。本文采用混合格子Boltzmann模型模拟低雷诺数粘弹性不稳定性。在这种方法中,水动力场是使用格子Boltzmann模型求解的,而聚合物场是使用具有对数Cholesky分解的高分辨率有限差分格式单独求解的。首先使用四辊轧机的情况对模型进行了稳态粘弹性流动验证,并将结果与解析解和先前的数值研究进行了比较。然后,通过对各向同性聚合物应力进行小扰动,应用该模型模拟混沌低雷诺数粘弹性不稳定性。不同Weissenberg数下的结果在足够长的时间内经历了复杂的流动动力学,从准周期到周期再到非周期状态,弹性效应增加。研究发现,准周期状态经历了最快的过渡到瞬态状态,过渡时间随着Weissenberg数的增加而延迟。这项工作证明了应用耦合晶格玻尔兹曼方法来探索弹性不稳定性的复杂流动行为的能力,从而有可能探索更具挑战性和实用性的粘弹性不稳定性情况。

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76米28 粒子法和晶格气体法
76A10号 粘弹性流体
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参考文献:

[1] 斯奎尔斯,T.M。;Quake,S.R.,《微流体:纳升级流体物理》,《现代物理学评论》,77,977-1026(2005)
[2] Groisman,A。;Steinberg,V.,《聚合物溶液流动中的弹性湍流》,《自然》,405(2001)
[3] Arratia,体育。;C.C.托马斯。;Diorio,J。;Gollub,J.P.,《跨通道流动中聚合物溶液的弹性不稳定性》,《物理评论》,96年,第144502页,(2006年)
[4] Steinberg,V.,《弹性湍流:无惯性随机流的实验观点》,《流体力学年鉴》,53,1,27-58(2021)·Zbl 1459.76062号
[5] 古普塔,A。;Perlekar,P。;Pandit,R.,《含有聚合物添加剂的二维均质各向同性流体湍流》,Phys Rev E,91,文章033013 pp.(2015)
[6] 最小温度。;Yoo,J。;Choi,H.,空间离散格式对粘弹性流体流动数值解的影响,《非牛顿流体力学杂志》,100,27-47(2001)·Zbl 1134.76409号
[7] Bensaada,M。;Esselaoui,D.,oldroyd b模型稳定有限元方法的误差估计,数学分析应用杂志,3251042-1059(2007)·Zbl 1107.76043号
[8] 王凯。;Si,Z。;Yang,Y.,粘弹性oldroyd流体流动的稳定有限元法,数值算法,60(2012)·Zbl 1336.76022号
[9] 阿尔维斯,M。;奥利维拉,P。;Pinho,F.,粘弹性流体流动的数值方法,《流体力学年鉴》,53,509-541(2021)·Zbl 1459.76084号
[10] 菲利普斯,T。;Roberts,G.,非牛顿流动的格子Boltzmann模型,IMA J Appl Math,76,790-816(2011)
[11] 艾登,C.K。;Clausen,J.R.,《复杂流动的晶格-玻尔兹曼方法》,《流体力学年鉴》,42,1,439-472(2010)·兹比尔1345.76087
[12] 珊,X。;袁,X.-F。;Chen,H.,《流体动力学的动力学理论表示:一种超越Navier-Stokes方程的方法》,《流体力学杂志》,550,413-441(2006)·Zbl 1097.76061号
[13] 陈,S。;Doolen,G.D.,流体流动的Lattice Boltzmann方法,Annu Rev fluid Mech,30,1329-364(1998)·Zbl 1398.76180号
[14] Kruger,T。;Kusumaatmaja,H。;库兹明,A。;沙尔特,O。;席尔瓦,G。;Viggen,E.M.,《格子Boltzmann方法》(2017),施普林格国际出版公司·Zbl 1362.76001号
[15] Succi,S.,《格子Boltzmann方程:流动物质的复杂状态》(2018),牛津大学出版社·Zbl 1485.76003号
[16] 克劳森,J。;Reasor,D。;Aidun,C.,《格子Boltzmann/有限元细胞血流求解器在IBM blue gene/p架构上的并行性能》,计算物理通信,1811013-1020(2010)·Zbl 1218.92030号
[17] Zhang,J.,《微流体的格子Boltzmann方法:模型和应用》,微流体纳米流体,10,1-28(2010)
[18] 博克,E。;Ventroli,M.,Lattice-Boltzmann《多孔介质中流体流动与真实岩石几何形状的研究》,《计算数学应用》,59,2305-2314(2010)·Zbl 1193.76104号
[19] 法塔希,E。;瓦卢加,C。;沃尔穆特,B。;吕德,美国。;曼哈特,M。;Helmig,R.,多孔介质模拟中的Lattice Boltzmann方法:从层流到湍流,计算与流体,140(2016)·Zbl 1390.76847号
[20] Wang,C.-H。;Ho,J.-R.,《血流中非牛顿效应的格子Boltzmann方法》,《计算数学应用》,62,1,75-86(2011)·Zbl 1228.76206号
[21] Nejat,A。;阿卜杜拉希五世。;Vahidkhah,K.,非牛顿流体通过圆柱的格子Boltzmann模拟,《非牛顿流体力学杂志》,166689-697(2011)·Zbl 1282.76037号
[22] 庞特雷利,G。;乌贝蒂尼,S。;Succi,S.,非牛顿流动的非结构晶格Boltzmann方法,J Stat-Mech Theory Exp,2009(2009)·Zbl 1459.76104号
[23] 黄,H。;Sukop,M。;Lu,X.-C.,多相晶格玻尔兹曼方法:理论与应用,1-373(2015),Willey Blackwell
[24] 珊,X。;Doolen,G.,多组分晶格——具有粒子间相互作用的Boltzmann模型,J Stat Phys,81,379-393(1995)·Zbl 1106.82358号
[25] 来自,C.S。;Sauret,E。;Galindo-Torres,S.A.公司。;Gu,Y.T.,非理想流体高阶格子Boltzmann模型上的相互作用压力张量,Phys Rev E,99,文章063318 pp.(2019)
[26] 来自,C.S。;Sauret,E。;Galindo-Torres,S.A.公司。;Gu,Y.T.,高阶晶格Boltzmann赝势模型的应用,Phys Rev E,101,文章033303 pp.(2020)
[27] Giraud,L。;d’Humières,d。;Lallemand,P.,jeffreys粘弹性流体的格子Boltzmann模型,Europhys Lett,42,625(2007)
[28] Lallemand,P。;D’Humières,D。;罗,L.-S。;Rubinstein,R.,《格子Boltzmann方法理论:线性粘弹性流体的三维模型》,《物理评论E》,《统计、非线性和软物质物理》,67,第021203页,(2003)
[29] Wagner,A.,非线性粘弹性流体中上升跌落的模拟,Prog Comput fluid Dyn Int J,5,20(2005)
[30] 古普塔,A。;Perlekar,P。;Pandit,R.,《含有聚合物添加剂的二维均质各向同性流体湍流》,Phys Rev E,91,文章033013 pp.(2015)
[31] Vaithianathan,T。;Collins,L.R.,《模拟粘弹性聚合物溶液湍流的数值方法》,《计算物理杂志》,187,1,1-21(2003)·Zbl 1047.76524号
[32] Oldroyd,J.G.,《关于流变状态方程的公式》,Proc R Soc Lond Ser A Math Phys-Sci,200523-541(1950)·Zbl 1157.76305号
[33] Peterlin,A.,有限链长软线性大分子的流双折射,聚合物,2257-264(1961)
[34] Onishi,J。;陈,Y。;Ohashi,H.,聚合物液体的格子Boltzmann模型,Prog Comput Fluid Dyn,5(2005)
[35] 马拉菠菜。;菲蒂埃,N。;Deville,M.,《粘弹性流体流动模拟的格子Boltzmann方法》,《非牛顿流体力学杂志》,165,23,1637-1653(2010)·Zbl 1274.76283号
[36] 苏,J。;欧阳,J。;王,X。;杨,B。;Zhou,W.,《模拟大范围weissenberg数上粘弹性流体流动的格子Boltzmann方法》,J Non-Newton fluid Mech,194,42-59(2013)
[37] 马,J。;王,Z。;杨,J。;赖,J.C。;隋,Y。;Tian,F.-B.,涉及粘弹性流体和复杂几何形状的流体-结构相互作用问题的浸入边界晶格Boltzmann方法,计算机物理,415,文章109487 pp.(2020),URLhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021999120302618 ·Zbl 1440.76117号
[38] 苏,J。;马,L。;欧阳,J。;Feng,C.,使用耦合晶格Boltzmann方法模拟粘弹性流体:弹性不稳定性的过渡状态,AIP Adv,7,11,第115013页,(2017)
[39] 古普塔,A。;斯布拉加利亚,M。;Scagliarini,A.,有限几何粘弹性多组分流动的混合格子Boltzmann/有限差分模拟,计算物理杂志,291(2014)·Zbl 1349.76470号
[40] Bhatnagar,P.L。;毛重,E.P。;Krook,M.,气体碰撞过程的模型。I.带电和中性单组分系统中的小振幅过程,《物理评论》,94,511-525(1954)·Zbl 0055.23609号
[41] 斯威夫特,M.R。;Orlandini,E。;奥斯本,W.R。;Yeomans,J.M.,《液气和二元流体系统的格子Boltzmann模拟》,《物理评论E》,54,5041-5052(1996)
[42] 他,X。;珊,X。;Doolen,G.D.,非理想气体的离散Boltzmann方程模型,物理评论E,57,R13-R16(1998)
[43] 库加诺夫,A。;Tadmor,E.,非线性守恒定律和对流扩散方程的新高分辨率中心格式,计算物理杂志,160,241-282(2000)·Zbl 0987.65085号
[44] 苏雷什库马尔,R。;Beris,A.N.,人工应力扩散率对数值计算稳定性和含时粘弹性流动流动动力学的影响,《非牛顿流体力学杂志》,60,1,53-80(1995)
[45] Perlekar,P。;密特拉·D。;Pandit,R.,《聚合物添加剂在衰减、均匀、各向同性湍流中的减阻表现》,《物理评论-莱特》,97,第264501页,(2006)
[46] 托马斯,B。;Shelley,M.,oldroyd-b流体中奇异结构的出现,《物理流体》,19(2007)·Zbl 1182.76758号
[47] 托马斯,B。;Shelley,M.,《斯托克斯粘弹性流中混合和振荡的转变》,《物理评论-莱特》,103,第094501页,(2009)
[48] 托马斯,B。;雪莱,M。;Thiffeault,J.-L.,《斯托克斯粘弹性流:向振荡和混合的过渡》,《物理学D》,240,20,1602-1614(2011),专刊:流体动力学:从理论到实验·Zbl 1385.76002号
[49] 北巴尔奇。;托马斯,B。;雷纳迪,M。;Doering,C.,粘弹性流体模型中构象张量的对称因子分解,《非牛顿流体力学杂志》,166546-553(2011)·Zbl 1359.76023号
[50] Thomases,B.,应力扩散对蠕变粘弹性流动动力学影响的分析,非牛顿流体力学杂志,166,21221-12228(2011)·Zbl 1282.76057号
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