非平衡與多相複雜系統：離散Boltzmann方法與套用

《非平衡與多相複雜系統：離散Boltzmann方法與套用》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由許愛國擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非平衡與多相複雜系統：離散Boltzmann方法與套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：許愛國
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

本項目發展離散玻爾茲曼(DB)等方法，研究非平衡與多相複雜系統。突破傳統流體模型不易描述熱力學非平衡行為和效應的局限性，發展適應一般狀態方程系統、對流速、溫度和可壓性具有自適應性的DB模型。研究武器物理及眾多工業領域關注度極高的流體界面不穩定性問題、非平衡相變及衝擊波與多相流的相互作用、燃燒過程中的爆燃轉爆轟及其反過程等。重點關注非平衡效應較強的局域結構及其影響：如表面張力和界面結構的演化特徵與可能的致穩效應、相變過渡區相變過程和力學過程的競爭、化學活性區力學與化學反應進程之間的競爭。通過研究非平衡驅動力與回響之間的關係來理解傳統流體描述的局限性，改進巨觀物理建模，為非平衡行為的描述和度量提供一套有效的方法。關鍵技術包括複雜過程中特徵結構的識別、特徵尺度的提取和非平衡效應的描述。本項目的完成將有助於推進複雜系統多尺度物理建模與研究，為武器精密化設計和改進工業工藝提供技術支撐。

結題摘要

為了突破傳統流體模型在非平衡與多相複雜系統研究中不易充分描述熱力學非平衡行為和效應的局限性，進一步發展了離散玻爾茲曼等方法。構建了適應一般狀態方程系統、對流速、溫度和可壓性具有自適應性的離散波爾茲曼模型（DBM）；研究了武器物理及眾多工業領域關注度極高的流體界面不穩定性問題、非平衡相變及衝擊波與多相流的相互作用、燃燒過程中的爆燃轉爆轟及其反過程等；在所有研究中都重點關注了非平衡效應較強的局域結構及其影響；複雜過程中特徵結構的識別、特徵尺度的提取和非平衡效應的描述方法得到了進一步發展。在多相流與非平衡相變研究方面，發現非平衡強度為相分離這一非平衡相變過程“亞穩相分解”和“新相疇增長”這兩個階段的劃分提供了一個方便有效的物理判據；表面張力的作用有三：減速亞穩相分解階段；加速新相疇增長階段；降低最大熱動非平衡強度。在燃燒與爆轟研究方面，分別研究了單流體和雙流體、單弛豫和多弛豫時間DBM。發現，無組織動量流NOMF與Navier-Stokes(NS)應力對應，無組織能量流NOEF與NS熱流對應；獲得了熵增率與NOMF、NOEF和反應率的關係式；對不同反應速率溫度依賴特性的爆轟情形進行了模擬；分別從巨觀量、非平衡特性和熵產生三個方面對不同反應速率特性的爆轟特性進行對比分析； 重點討論了在我們所採用的反應速率模型和爆轟條件下，反應速率的負溫度效應對爆轟過程中的影響。在流體不穩定性研究方面，發現了RT與RM演化過程中的一系列競爭與合作，在可壓效應、粘性效應、熱傳導效應、非平衡驅動與回響方面獲得一系列新的認識。發表研究論文22篇（包括研究綜述3篇、專著章節1章）。2名博士後、3名博士生、2名碩士生通過參研本項目獲得培養。完成5次國際會議邀請報告、15次國內會議邀請報告、25次高校科研院所專題學術報告和1次暑期學校特邀講座。本項目中DBM等方法的發展為改進巨觀物理建模和巨觀-介觀聯合的跨尺度模擬提供了現實、可行的思路；研究結果為武器精密化設計和改進工業工藝提供理論支持。