平衡分布正值性对格子Boltzmann方法数值表现影响分析

摘要：

在传统中,格子Boltzmann离散模型的数值表现影响因素分析主要关注于平衡分布的矩精度,而模型的正值性(作为粒子分布描述,分布函数需恒为正)则仅作为模型的附属属性,用于计算时工况约束.随着部分高斯-厄米特求积公式离散方案的提出,模型正值性被发现是独立于矩精度的模型属性,可以通过格子速度调整.研究人员推测平衡分布正值性对格子Boltzmann方法的数值表现存在显著影响,可以通过改善平衡分布正值性改善模型数值表现.相比提升模型矩精度方案,正值性改善方案具有计算量优势.然而鉴于高阶模型边界处理的缺失,相关推测并未得到具体数值计算证实.本文采用周期边界的Taylor-Green涡算例,回避了边界处理问题,详细分析了正值性对数值表现的影响,包括平衡分布正值区域内计算精度稳定性以及模型平衡分布正值区域大小对计算影响,并与矩精度影响进行对比.计算结果显示,模型正值区域内计算精度并不恒定,随着工况靠近正值区域上界,计算精度下降,但总体上均具备较好的精算精度.模型数值表现同时受到矩精度与模型正值性影响,矩精度影响主要体现在模型是否满足Galilean不变性上,对于满足Galilean不变性模型,其数值表现则取决于模型正值性.基于此,本文认为通过改善模型正值性提升格子Boltzmann方法数值表现是切实可行的方案,并推荐基于满足Galilean不变性条件下选择具有最宽正值区域的模型,而不必执着于模型矩精度.另外从本文的数值结果来看,高阶模型模型的数值表现均好于经典D2Q9模型,特别是D2H3-2模型,是文中涉及模型的最优者,值得进一步深入研究.总体而言,通过数值分析首次系统性梳理了模型正值性对计算影响,并与矩精度进行对比分析.本文证实了正值性对计算的影响,为离散模型选择和改进提供了新的方向.

关键词：格子Boltzmann、离散模型、矩精度、正值性

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资助基金：国家科技重大专项 2017ZX06002002 资助的课题

在线出版日期：2019-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共11页

页码：173-183