报告题目：非平衡流动过程的跨尺度建模与模拟：基于DBM方法

报告人：许爱国 研究员（北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室）

报告时间：2018年4月17日上午10：00

报告地点：明故宫校区A18-529报告厅

主办单位：科协、直升机旋翼动力学国家级实验室、航空宇航学院

 

非平衡流动形式各异，广泛存在于自然界与工业生产领域，与我们的工作、生活息息相关。在不太稀薄情形下，大尺度缓变流动的主要特征可以使用Navier-Stokes（NS）模型进行较好的描述。但在如下一些情形，例如冲击波或爆轰波内部、微纳尺度流动、ICF中的惯性内爆、液滴的冲击与破碎、燃烧过程中的相变-混合与湍流、强激光照射下的水滴蒸发、真空射流、高压喷涂等一些微细观结构效应和快变动理学模式描述方面，传统NS建模在物理描述能力方面表现出不足；另外，空间飞行器的上升阶段需要经历一个从连续到离散、从近平衡到远离平衡的流态变化，在再入阶段需要经历一个相反过程的流态变化；空间飞行器在飞行过程中，不同部位所经历的流态也有较大差异。传统流体描述是等离子体研究的重要手段之一，但等离子体内部极其复杂的非平衡效应挑战传统NS建模的有效性。

物理建模与算法设计是数值实验研究中缺一不可的两个环节。物理建模层面的误差是无法通过算法精度提高来弥补的。本报告从物理学角度思考各种不同尺度、不同粗粒化程度物理建模之间的区别与互补。宏观流动层面的非平衡(HNE, Hydrodynamic Non-Equilibrium) 通常使用对应质量守恒、动量守恒和能量守恒的流体动力学方程组(Hydrodynamic equations)来描述。流体动力学模型的物理精度在很大程度上取决于本构关系的合理程度。非线性本构关系动理学机理的理解要求研究与宏观流动关系最密切的热动非平衡(TNE, Thermodynamic Non-Equilibrium)行为。（1）从数学建模角度来看，离散Boltzmann模型(DBM, Discrete Boltzmann Model)与传统流体模型的典型差异就是使用离散Boltzmann方程取代原来的Navier-Stokes(NS)方程；但从物理建模角度来看，这一取代是有“增益”的：一个DBM相当于一个连续流体模型外加一个相关热动非平衡行为的粗粒化模型；该连续流体模型可以是也可以超越NS。（2）在非平衡复杂流动过程描述方面，DBM具有一定程度的跨尺度自适应性；在编程方面，DBM比连续介质模型的离散求解要方便。（3）通过DBM，可以方便地研究复杂流动过程中引起熵增的主要机制及其相对重要性。（4）DBM所提供的非平衡行为特征已经用于目标区域真实分布函数主要特征的恢复、系统内各种不同界面的物理甄别与追踪技术设计、相变动理学过程中划分“亚稳相分解”和“相畴融合增长”两个阶段的物理判据，用于区别普通流体与等离子体中的激波，帮助理解流体不稳定性演化过程中的物质混合、各类关联与可压效应，等等。（5）除了更准确地刻画复杂流动过程中的非平衡行为特征，DBM所获认识可以直接推动相应物理系统宏观模型的改进。

许爱国，北京应用物理与计算数学研究所研究员；北京大学工学院兼职教授；中国工程物理研究院力学与工程学科物理力学专家组成员，博士生导师；南京理工大学兼职博士生导师；中国交叉科学学会常务理事；邓稼先创新研究中心学术委员会委员；全国统计物理与复杂系统会议学术委员会委员；中国力学大会2017学术委员会委员；第十二届全国爆炸力学会议组织委员会委员；《中国科学：物理 力学 天文学》“多尺度复杂系统物理建模与模拟”专辑客座编辑。1998年6月于中国工程物理研究院研究生院获博士学位，导师为陈式刚院士；1998年7月- 2006年4月，先后工作于北京师范大学、韩国首尔大学、意大利巴里大学、日本京都大学。目前主要研究方向为：复杂介质动态响应过程中的微细观结构与非平衡行为研究。主要建模与模拟工具包括DBM、LBM、物质点、位错动力学、分子动力学等。主持完成国家自然科学基金、中物院发展基金、国防科技重点实验室基金等课题10多项；在Soft Matter, Combustion and Flame， Physical Review等权威期刊发表论文100余篇；多次在国际会议做邀请报告或主旨报告。