第25届国际会议专刊流体动力学离散模拟（DSFD）

我们给出了Dirac方程的量子格子Boltzmann模拟对于具有随机质量的量子相对论粒子。通过选择零平均随机质量波动，模拟显示了局部化和超慢的证据西奈扩散，由于量子的反向传播分支的干涉由零米附近质量的随机符号变化引起的波函数。目前的结果表明，量子晶格Boltzmann方案可以为量子相对论输运现象的数值模拟提供了一个可行的工具拓扑材料中。

纤维过滤介质由小纤维（微米级和纳米级）制成。在这些在这种情况下，Knudsen数可以很明显，流体上有滑移现象应考虑边界面。为此，介观方法晶格玻尔兹曼方法（LBM）可以用于预测流量边界条件（BC）。本文分析了一种纤维微滤器，包括根据扫描电子显微镜（SEM）图像构建几何模型，并与实验结果和宏观方法建模进行了比较。A类滑移条件是基于镜面反射在开源代码OpenLB中实现的人口的总数。建议边界条件的验证为通过2D通道中的模拟进行，布置为45度和90度，简单绕八角形流动的情况。实验收敛阶（EOC）为对所有情况进行评估，八边形周围的压降结果如下与宏观方法获得的数据相比。双方达成良好协议过滤介质的压降及数值和实验结果观察到。这些发现证实了实施的滑移的准确性以及在微尺度系统中考虑这一现象的重要性。

粒子在流体中固定障碍物上的传输和沉积对流动进行了数值研究。基于格子Boltzmann的二维模型（LB）方法和离散元（DE）方法用于模拟粒子沉积。相应的方法是双向耦合，即粒子运动影响流体流动并相互作用。粒子捕获效率，作为使用单向（不考虑流体上的颗粒）和双向耦合。数字这项工作中的模拟对于理解运输和并预测单纤维收集效率。影响用LB-DE方法研究了障碍物形状对单纤维收集效率的影响。结果表明，颗粒对流场的影响不容忽视用于大尺寸颗粒。圆形纤维收集效率的数值结果与理论预测和现有的相关性非常一致。增强型收集效率是通过改变纤维形状来实现的。

机翼平面形状是产生升力和推力的重要因素之一加强扑翼飞行。在本研究中，我们数值研究了机翼平面形状对蝶形扑翼翼身气动性能的影响采用浸没边界格子Boltzmann方法进行建模。模型襟翼向下产生升力，向后产生推力就像一只真正的蝴蝶。我们计算升力等空气动力学性能（i）梯形的力、推力、功率消耗和功率负载具有不同锥度比的机翼平面形状（翼尖长度与翼尖的比率长度），（ii）具有不同展弦比（平方比）的矩形机翼平面翅膀长度与翅膀面积之比），以及（iii）在雷诺数为500。因此，梯形和矩形机翼从平面图上看，我们发现升力和推力的增加是以功率为代价的支出随着锥度比的增加和纵横比的增加而增加。此外，研究发现，实际的蝴蝶翅膀平面形状比任何一种蝴蝶都更有效梯形和矩形机翼平面形状。

浸没边界晶格Boltzmann晶格弹簧法（IBLLM）以前已用于解决涉及可变形和悬浮在Navier-Stokes流体中的移动固体，但这些研究通常由于缺乏计算能力而限制了范围。在本研究中，图形CUDA Fortran中的处理单元（GPU）被实现来解决各种系统，包括柔性梁、红细胞（RBC）的拉伸和下方的椭球体剪切流。运行一系列仿真以验证IBLLM和分析计算性能。结果表明，Intel Xeon E5645使用GPU上运行的NVIDIA Tesla K40图形卡提高了计算能力与相同速度相比，速度最多增加80倍以上在CPU上运行的处理器，用于解决中等大小的固体和流体系统粒子。这些研究代表了关于使用单个GPU设备CUDA Fortran在IBLLM解算器的实现中。GPU的合并而使用多功能IBLLM技术进行求解将扩大复杂的范围流体-固体相互作用（FSI）问题可以在多种领域解决。

本文中，有限差分加权本质上是非振动的（WENO）方案被纳入最近开发的晶格玻尔兹曼通量求解器（LBFS）模拟可压缩流动。最终的WENO-LBFS方案结合了WENO方案和LBFS的优点，例如高阶精度、高分辨率和物理健壮性。进行了各种数值试验以进行比较WENO-LBFS和其他基于WENO的通量求解器的性能，包括Lax-Friedrichs通量，Harten-Lax-van-Leer通量的修正多级预测-校正磁通和磁通限制器中心磁通。事实证明WENO-LBFS能够捕捉冲击波中的不连续轮廓。相对而言，WENO-LBFS方案占用更少的CPU时间并简化编程。

对大型航天器再入有详细的了解是很重要的大气解体和主要结构熔化烧蚀碎片扩散面积的估计。直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法对简化的天宫一号的气动热力学特性进行了模拟再入过程中稀薄过渡区的构型。混合动力车笛卡尔和曲面非结构化三角网格及其自适应细化用于处理这些复杂的配置流。内能激发并考虑化学反应来精确计算气动加热。DSMC并行算法解决了大量计算困难基于MPI环境。马赫数为15.6的高超音速氮气流约为25/55选择deg双音模型作为测试用例进行验证。计算压力和升温速率分布与实验数据吻合较好。基于天宫一号形状、太阳能电池板连接结构应力的DSMC结果用有限元方法对模型进行了分析。热传导和烧蚀对一维航天器薄壳结构进行了计算模型。太阳能电池板脱离航天器主体的高度是初步的估计。分析了两模块结构飞行器的熔化烧蚀对于不同的再入高度。

在这项工作中，进行了数值模拟以研究激波/立壁前的液滴相互作用。研究工作旨在揭示重装对流动特性和界面动力学的影响。五等式该模型用于模拟移动的可压缩多流体流动接口。控制方程在轴对称假设下使用有限体积法。通过改变入射激波马赫数（$M_S$）和液滴和壁之间的距离（L）、波浪运动和液滴对四种典型模拟的变形进行了仔细检查。此外讨论了一些显著的流动特征和界面行为的物理性质。此外，根据结构损坏的可能性监测最大壁压由于冲击波/液滴相互作用而引起的壁面损伤。液滴运动学通过质量中心位移和速度进行检查，以澄清积分变化的影响M_S美元$和L。

气体扩散层（GDL）和微孔层的水管理（MPL）对质子交换膜燃料电池的性能有很大影响（质子交换膜燃料电池）。提高燃料电池的性能需要适当的膜湿度保持与水排放之间的水平衡细胞内产生多余的水。Lattice Boltzmann方法（LBM）可以启用与之相比，具有复杂固体结构的流体流动模拟更加直观基于Navier-Stokes的传统计算流体力学（CFD）方法方程。在本研究中，正交赝势多相晶格Boltzmann方法（LBM）用于研究MPL和GDL中的液态水传输聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）。以及GDL和MPL结构图像都是通过随机生成方法获得的。我们比较了GDL用不同厚度和孔隙率的MPL涂层。数值结果确认孔隙度的影响远大于厚度，这有助于改进GDL和MPL设计。

应用多个图形处理单元的大规模并行模拟（多GPU）是为了对流量和热量进行深入研究基于混合热格子Boltzmann方法的气膜冷却传递机理（HTLBM）。对于流场，采用了多重松弛时间（MRT）碰撞模型。冷却液喷射以α=30的倾斜角度喷射^◦进入湍流平板边界自由流雷诺数Re=4000的层剖面。在我们之前的工作[1]，我们提出了喷射-横流相互作用区域的三部分定义根据湍流动能（TKE）分布和非定常混合定性研究了各个领域的特征。为了进一步调查这一现象，对非定常流动和传热的更详细研究结果表明，剪切域为以剪切作用为主，并被稳定的冷却膜覆盖。在旋转域中，由于横流之间的剧烈混合，湍流强度增加射流和冷却膜开始横向扩散。所有这些原因冷却膜稳定性迅速下降。大湍流扩散效应耗散域削弱了湍流强度并加强了沿翼展方向的速度。冷却性能很差。

一种能够模拟润湿表面上流体行为的数值格式基于界面捕获晶格Boltzmann方程模型[Q。Lou和Z.Guo，物理。修订版E 911013302（2015）]，尚未应用于润湿问题。在所提出的数值格式中，伪密度接近可以消除固体表面，并且可以实现大范围的平衡接触角也可以复制。此外，固体表面上的平衡接触角，作为模拟参数，可以根据润湿性提前给出。数字的测试，包括在光滑表面上扩散的液滴的动力学行为以及毛细管侵入，证明了所提出的数值方案很好地消除了固体表面附近的虚假密度。

在本文中，我们提出了简化格子Boltzmann的改进版本非均匀网格上的方法。该方法基于最近提出的无分布演化的简化格子Boltzmann方法（SLBM）功能。在SLBM中，宏观变量，而不是分布函数，直接更新。因此，SLBM要求降低虚拟内存的成本，并且可以直接实现物理边界条件。然而，SLBM中的一个大问题是晶格均匀性继承自标准LBM，这使得SLBM仅适用于均匀网格。为了进一步将SLBM扩展到非均匀网格，本文引入拉格朗日插值算法来确定量在流处理被启动的位置。理论基础插值过程是指分布函数在物理空间中是连续的。在实际实施中，拉格朗日插值多项式可以提前计算和存储，由于这一点，计算中几乎没有额外的工作量。三次数值试验与参考数据达成良好一致，从而验证了稳健性并展示了其在非均匀网格中的应用潜力具有弯曲的边界。

三维（3D）单组分多相Shan-Chen晶格Boltzmann（LB）模型是基于GPU加速算法实现的用于模拟液滴蒸发的CUDA平台。我们发现相对于基于CPU的3D LB，GPU加速3D LB模型的加速模型随着计算节点数的增加而增加。最大加速为当计算域由$256^3$计算域组成时，大于约300节点。关于使用GPU加速执行的计算包含通过CPU输出数据操作的3D LB模型，百分比CPU执行顺序任务所消耗的计算时间随着计算节点数的增加而增加。进行了模型验证通过模拟与拉普拉斯定律和$D^2$定律的比较。然后，采用GPU加速的3D-LB模型模拟蒸发现象在光滑和粗糙的固体表面上的水滴。如图所示，接触角光滑固体表面上的蒸发液滴在蒸发过程。对于粗糙固体表面上的蒸发液滴，然而，接触角的时间演化表现出明显的振荡。这个粗糙固体上蒸发液滴的形态演化模拟表面表明接触角的振荡受液-气-固接触的粘滑运动，即脱皮和后退行。这可以归因于显示润湿的液滴的大滞后温泽尔州。

将传统的DSMC方法扩展到三维模拟超高速再入期间航天器周围的稀薄电离流。这个利用电子质量放大，涉及电子的反应速率为相应修改。提出了一种微量物种加权因子方案，及其对碰撞机制、化学反应的实现以及考虑了宏观参数的计算。所提出的DSMC算法在模拟弱非均匀流动方面效率很高，其可靠性也很高通过与神舟飞船空气动力试验的对比验证低密度风洞模型、RAM-C II的电子数密度和稀薄过渡流态中的星尘。引入稀有物种权重因子方案可以显著提高数密度的平滑度稀有物种的轮廓，特别是弱电离情况下的电子轮廓，而它对宏观流动参数的影响可以忽略不计。电离特性首次分析了中国登月舱再入过程80km、85km和90km的高度，以及预测的通信中断高度与实际再入飞行数据一致。计算表明，对于钝体以大于第二宇宙速度（主要电离源）的速度重返大气层是直接碰撞电离，电子数密度高到足以在传统稀薄流状态下导致通信中断。

液滴的自行跳跃是底材上的液滴碰撞。液滴的自驱动跳跃现象在实验中观察到，也在宏观或中尺度上重现数值模拟。然而，以前很少有人对这种现象进行研究纳米级。解开纳米级二进制的动力学和机制液滴在基板上的碰撞，两个相同水的正面碰撞过程用分子方法研究石墨基底上直径为10nm的液滴动力学（MD）模拟。通过改变双星的冲击雷诺数液滴在亲水或疏水底物上的碰撞，我们成功地再现了接触超疏水表面上液滴的自推进跳跃角度143^◦影响雷诺数相对较高，为17.5。参数化研究表明高冲击雷诺数和高疏水性都会促进自行式跳跃。此外，基于导出的Ohnesorge数的判据从介观来看，自行式跳跃机制不足以准确预测a纳米级自行式跳跃现象。因此，我们的研究包括影响雷诺数和基底特性，如接触角改进和扩展现有自行式跳跃行为理论的标准到纳米级。这项研究为深入了解自行式跳跃的机理提供了依据纳米级的现象。

高速颗粒流出现在许多科学和工程领域问题。当前的工作重点是粒子体积分数的情况介于0.001和0.5之间，其中颗粒-流体和颗粒-颗粒相互作用都很重要。基于分层多相流模型（Chang&Liou，J.Compute）。物理。225（2007），840-873）和Euler方程，通过将一个相视为固体，a发展了一种数值方法来进行直接数值模拟（DNS）加速微粒流。然后应用它模拟平面激波问题波浪冲击粒子幕，但聚焦于初始阶段，其中粒子可以被视为静态的。通过保持总的颗粒的体积分数和改变颗粒的数量。趋同观察到激波位置和湍流能量。一维平均体积还对模型进行了研究，并和DNS进行了比较，后者给出了有效阻力系数。进行三维DNS与二维DNS和一维模型进行比较，显示需要更详细的3-D DNS研究。从以下公式中获得的收敛值当前的工作可以应用于研究非常小的粒子情况和模型发展。

我们提出了一种新的弹性固体格子Boltzmann公式并进行了分析固体守恒定律的问题。这种新配方允许调节泊松比。作为第一个基准问题，我们考虑弹性波的传播在具有点力和点偶极Ricker小波的无限均匀介质中作为源。该方法成功地模拟了弹性波的运动特性作为泊松比的函数。

进行了分子动力学模拟以研究超临界正十二烷/氮二元体系的混合过程。以前的研究有显示了现代某些条件下超临界现象的存在推进系统，如柴油发动机。然而，物理机制和这种现象的内在驱动力仍不清楚。在本文中，我们试图通过模拟扩散和蒸发来回答这个问题气态氮和液相正十二烷。它解决了什么条件下的问题超临界转变现象的发生及其特征蒸发过程有。构造了一个独特的配置来模拟蒸发开放氮环境下n-十二烷薄膜的研究从亚临界到超临界。液-汽界面的详细结构描述了蒸发过程中的蒸发率和估算了界面厚度，显示了亚临界和超临界之间的差异蒸发。结果表明，在相对较高的压力条件下，液体表面转变为超临界状态，液体-蒸汽界面膨胀表面张力明显消失，导致类似扩散的混合过程。结果表明，在一定条件下会发生超临界蒸发对应于涡轮增压发动机的缸内条件。

我们考虑D1Q3晶格Boltzmann方案，其声学尺度为扩散过程的模拟。在保持扩散率的同时对网格进行细化常数，我们首先获得渐近收敛性。当网格大小趋于然而，到了零，这种趋同以一种奇怪的方式被打破，我们观察到热方程解析解的定性差异。在这项工作中，利用泰勒展开式导出了一个新的渐近分析来解释这一现象方法，并在渐近极限。我们证明了D1Q3数值解和声学型偏微分方程的有限差分逼近在渐近极限中为零。此外，对这种渐近性进行了波矢分析区域证明色散方程具有非平凡的复特征值，潜在传播现象的标志，以及异常收敛的预兆上述属性。

本文对多相催化进行了数值研究通过正则化格BGK方法。不同价值观的影响根据纳米多孔金锭结构内的转化效率和穿透力，评估了反应物流的努森数。结果是与文献中的实验证据一致，并打开有趣的视角用于未来纳米催化器件的优化设计。