可压缩格子Boltzmann模型及基于简化分布函数的通量求解器研究

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通过对现有可压缩格子Boltzmann模型的详细调研和学习之后,本文提出了一个推导无自由参数可压缩格子Boltzmann模型的平台。在该平台中,我们严格证明了粒子势能与格子速度的无关性,澄清了为什么可压缩格子Boltzmann模型中的粒子势能可以只用一个变量来表示即可。借助于Chapman-Enskog多尺度展开,我们证明了该平台的守恒关系能够还原宏观的N-S方程。基于此平台,我们构造了五个无自由参数的可压缩格子Boltzmann模型,它们包括一维的D1Q3,D1Q4和D1Q5模型以及二维的D2Q8和D2Q12模型。为了避免直接求解离散速度Boltzmann方程,提高计算效率,本文采用有限体积格子Boltzmann方法结合本文推导的无自由参数模型来求解可压缩流动。首先,本文从理论上阐明了基于一维模型的有限体积格子Boltzmann方法,随后将其扩展到适用于二维可压缩格子Boltzmann模型。通过大量的算例测试表明,本文提出的可压缩格子Boltzmann模型较一些早期的模型更适合于高马赫数流动计算。从计算效率角度考虑,由于有限体积格子Boltzmann方法实际上求解的是Euler方程,而非离散速度Boltzmann方程,所以其计算效率与Roe格式和van Leer格式相当。此外,基于圆函数本文还构造了适用于无粘可压缩流动计算的通量求解器。首先,通过假设所有粒子都集中分布在圆周上,从而可以由Maxwellian函数变换得到圆函数。然后,将圆函数作为平衡分布函数,构造适用于Euler方程的通量求解器。该方法克服了基于Maxwellian分布函数的动力学格式的复杂性,提高了计算效率。最后,本文通过一系列算例测试验证了该通量求解器的计算能力。
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