格子Boltzmann方法的原理及应用-郭照立

郭照立编写的流体力学LBM书籍，内容丰富，讲述详细，很适合初学者参考学习。格子 Boltzmann方法的原理及应用Theory and Applications of Lattice Boltzmann Method郭照立郑楚光著学出版社北京内容简介格子 Boltzmann方法是最近十几年来国际上发展起来的一种流体系统建模和模拟新方法,其思路与传统的流体模拟方法完全不同,具有许多常规方法所不具有的优势。它所提出的思维方式和建模手段,为流体力学的研究带来了新的思路,开创了流体描述和模拟的一个崭新领域。本书试图对格子Boltzmann方法的基本原理、常用模型、发展状况进行较为系统的描述,并结合作者近年的研究工作,介绍该方法的边界处理方法、作用力描述及非标准模型等基本问题,以及在传热传质、多相(多组分)流动、多孔介质流动和微尺度流动等方面的应用进展,以便读者了解格子 Boltzmann方法的全貌。本书可供数学、物理、力学、能源、材料、化工等领域从事流体力学工作的研究人员参考。图书在版编目(cP)数据格子 Boltzmann方法的原理及应用/郭照立,郑楚光著.一北京:科学出版社,2008ISBN978-7-03-023589-3Ⅰ.格…Ⅱ①郭…②郑…Ⅲ.数值模拟Ⅳ.O242.1中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第193146号责任编辑:童安齐/责任校对:柏连海责任印制:吕春珉/封面设计:耕者设计工作室学出版社出版北京东黄城根北街16号邮政编码:100717http://www.sciencep.com主刷厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2009年1月第版开本:B5(720×10002009年1月第一次印刷印张:161/4印数:1-2000字数:315000定价:40.00元(如有印装质量问题,我社负责调换〈环伟))版权所有,侵权必究举报电话:01064030229;010-64034315;13501151303前言已故著名学者田长霖先生曾在一份重要文献( Microscale Thermophysical Engineering,1997,1:71~84)中指出:“尽管许多物理现象和工程问题是在宏观或人的尺度上体现出来的,但其根源仍然始于分子尺度。建立跨越多个时空尺度的物理模型有一定的困难,格子 Boltzmann方法可望能够为此提供有效的手段(Manyphysical phenomena and engineering problems may have their origins at molecularscales, although they need to interface with the macroscopic or human scales. Thetime scales. The lattice Boltzmann method attempts to bridge this gap/os anddifficulty arises in bridging the results of these models across the span of ler这里所说的格子 Boltzman方法(LBM),是近十几年来国际上发展起来的种流体系统建模和模拟新方法。该方法是介于流体的微观分子动力学模型和宏观连续模型之间的介观模型,兼具二者的优点。这种方法的思路与传统的流体模拟方法完全不同,具有许多常规方法无法比拟的独特优势,甚至在某些方面是传统方法不能替代的。它所提出的思维方式和建模手段,为流体力学的研究带来了新思路,开创了流体描述和模拟的一个崭新领域。因此,自提出之日起该方法就受到众多学者的关注。目前,LBM的研究已从纯粹的理论领域迈向工程实际应用,形成了个国际研究热点,每年不但有多个系列的专门国际会议召开,而且已经出现了专业商用软件。当前国际上LBM的研究涵盖了多个学科领域。例如,由于具有明显的计算优势,LBM已被广泛用于工程传热传质问题和湍流的直接数值模拟;由于其介观背景使得流体内部的相互作用在LBM中可以方便地描述,因而在多组分、多相流、界面动力学、化学反应与燃烧等微观相互作用明显的流体系统方面得到了成功的应用;由于其清晰的粒子运动图像,使得处理流体与固体的相互作用非常直观,因而在渗流、气固两相流以及流固耦合方面得到广泛应用;由于不受连续介质假设的限制,因而在微尺度流动与传热等连续方法不适用的问题研究中备受瞩目。这些研究展示了LBM的良好应用前景。国内在该领域的研究相对起步较晚,在我国的发展还不够深入和普遍。同时,由于涉及数学、物理、力学等学科领域,国内系统介绍这一方法的相关著作尚不多见。本书围绕该领域的一些背景知识、基本原理、常用模型和应用状况进行了较为系统的阐述,并融合了我们自己的研究体会。我们的研究过程,一直得到许多专家和同行的帮助和鼓励。陶文铨院士、宣益前言民教授、方海平教授、雍稳安教授、何雅玲教授、LS.Luo教授、Y.H.Qan教授、K.Xu教授、T.S.Zhao教授和其他学者对我们的研究方向提出了非常有价值的建议,在此对他们表示诚挚的感谢。作者也特别感谢与我们长期合作的华中科技大学施保昌教授,以及曾与作者进行不少有益讨论的许友生教授、许爱国博士、唐桂华博士、石泳博士、柴振华博士等,与他们的交流极大促进了我们的研究工作。本书作者的研究工作和写作还得到了国家自然科学基金(50606012)、“973”计划(项目编号:2006CB705800)和新世纪优秀人才支持计划(项目编号:NCET070323的支持,并得益于煤燃烧国家重点实验室的良好工作环境和同事们的支持和鼓励。在本书写作过程中,作者参考了大量的相关文献,但囿于学识视野和水平,在选材和撰写过程中难免有疏漏和不当之处,诚望读者批评指正。作者2008年8月目录前言第一章导论11流体运动的数学模型和数值方法511.1流体模型…511.2数值方法……1.1.3各类模型和方法的适用范围51.2格子 Boltzmann方法7899§1.21格子 Boltzmann方法的基本结构…1.22格子 Boltzmann方法的发展历史和研究现状………………1081.23国内发展状况14第二章气体动理学理论16§21基本概念……………………………………………………16211气体的分子模型……………·162.1.2速度分布函数……·1722 Boltzmann方程1823 Boltzmann h定理4444.++9,24BGK模型……………………………………………………2125宏观流体动力学方程25.1一般形式…2392.52 Chapman-Enskog分析242.5.3输运系数……127第三章格子 Boltzmann方法的基本原理和模型31格子气自动机31.1基本思想3,12HPP模型……§3.1.3FHP模型*…31314LGA的宏观动力学·33832从格子气自动机到格子 Boltzmann方程…11国国·353.21基于LGA的格子 Boltzmann方法…………….IV.目录532.2独立于LGA的LBE……………3733从连续 Boltzmann方程到格子 Boltzmann方程+…3863.31 Taylor展开法………………3863.3.2 Hermite展开法…534单松弛(LBGK)模型,·,42§34.1基本模型…………:::··42§34.2宏观方程43§35多松弛(MRT)模型,…………::46§3.5.1基本原理…§3.5.2基本模型48§3.5.3宏观方程……,.53536LBE的程序结构6第四章格子 Boltzmann方法的初始和边界条件5741初始条件5754.1.1非平衡态校正方法574.1.2迭代方法5954.2平直边界条件…………………………615421启发式格式…………………………………·6154.22动力学格式……………………………………………………6354.2.3外推格式……·65§4.3曲面边界条件6854.3.1反弹格式654.32虚拟平衡态格式54.3.3插值格式·+·7054.34非平衡态外推格式……………………………………………72§44压力边界条件73§45小结74第五章格子 Boltzmann方法的作用力模型…1651LBGK的作用力模型7651.1平衡态分布的压力校正方法……………………………………………765.1.2平衡态分布的速度校正方法…51.3在演化方程中增加作用力项:··7852作用力模型的理论分析和比较5.21作用力模型的统一形式…81522宏观方程………………………………·++···+··,:·+:::.N目录523各类作用力模型的偏差分析…………·84524算例……………53 MRT-LBE的作用力模型54小结……·91第六章非标准格子 Boltzmann模型…∵…:926.1基于标准演化方程的方法92§61.1插值补充LBE方法86.1.2局部网格加细方法…613区域分解方法6.2离散速度 Boltzmann方程:10063有限差分LBE…………+…::101$6.3.1 Runge-Kutta-LBE,10156.3.2半隐格式LBE…………………………………………………1028633基于半隐格式的显式LBE64有限体积LBE10765有限元LBE…………………………………………………109651特征 Galerkin方法6.52最小二乘有限元方法·11166小结……·112第七章热流体动力学的格子 Boltzmann方法114§7.1概述11472格子与离散速度一致的多速LBE模型115§72.1低阶模型115722高阶 MS-LBGK模型………………………第国面着面119573基于 Boltzmann方程的多速LBE模型……………………………122§7.31平衡态分布函数的 Hermite展开573.2依赖局部流动速度和温度的离散速度………………………123733依赖局部温度的离散速度…::+:+**+:1245734时空无关的离散速度………“…:125874非空间填充型的多速LBE模型………………………………12975 Prandtl数可调的多速LBE模型…………………………132§76无黏性热耗散和压缩功的双分布函数LBE模型135§76.1多组分DDF-LBE模型…………………………………………1355762非理想气体的 DDF-LBE模型13776.3不可压流动的 DDF-LBE模型…137目录77含黏性热耗散和压缩功的双分布函数LBE模型内能形式……140771内能分布函数及演化方程………14137.72格子 Boltzmann方程·,:::142773若干简化模型………………:·143§78含黏性热耗散和压缩功的双分布函数LBE模型—总能形式…1455781总能分布函数及其演化方程14557.8.2离散速度模型……1485783格子 Boltzzhan方程…·152§79混合LBE模型1545710小结15第八章多相和多组分流体的格子 Boltzmann方法15681概述…·156§82颜色LBE模型····““:::157§821不混溶流体的LBE模型15738.22可混溶流体的LBE模型…………………………………15958.3伪势LBE模型1608.31基本模型……160§832改进模型………………………………………16258.3.3作用力的离散格式·:…·16484自由能LBE模型§8.4.1单组分非理想流体模型…166§8.42两组分非理想流体模型:167§8.4.3自由能模型的伽利略不变性…………………………………1695基于动理学理论的LBE模型…………:17138.5.1单组分多相流体的LBE模型171§8.5.2多组分单相流体的LBE模型…………………………………17958.5.3多组分非理想气体的LBE模型…§86流固两相流的LBE方法…:19286.1基于有限体积颗粒的LBE方法……………………192862基于点源颗粒的LBE方法,::·19787小结200第九章多孔介质流动的格子 Boltzmann方法……………………………201§91概述201§92孔隙尺度LBE方法∵··“·……20399.2.1多孔介质的生成方法203