對(duì)流擴(kuò)散方程的格子Boltzmenn方法研究.pdf_第1頁(yè)
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1、對(duì)流擴(kuò)散方程是一類基本的數(shù)學(xué)物理方程,可應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域。而很多跟實(shí)際問(wèn)題相關(guān)的對(duì)流擴(kuò)散方程都是很難求出解析解的,只能用各種數(shù)值的方法求得數(shù)值解。格子Boltzmann方法是上世紀(jì)八十年代末提出的一種新興的計(jì)算流體力學(xué)方法,它從一種介觀的角度去考慮所研究的問(wèn)題,是對(duì)傳統(tǒng)方法的一種突破和創(chuàng)新,近年來(lái)格子Boltzmann方法無(wú)論是在求解各類偏微分方程還是工程模擬應(yīng)用上都取得了重要的成就。
  本文首先針對(duì)一

2、維的不帶源項(xiàng)的對(duì)流擴(kuò)散方程,基于簡(jiǎn)單的D1Q2離散速度模型,根據(jù)Chapman-Enskog多尺度分析技術(shù)以及宏觀方程的定義,將建立的D1Q2格子Boltzmann模型的演化方程改寫成了一個(gè)關(guān)于所求解的宏觀量的差分格式。利用模型實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)數(shù)值算例,所得到的數(shù)值解和精確解吻合得比較好,這表明了偏微分方程的格子Boltzmann模型在某種程度上就是一種特殊的差分格式。
  其次,針對(duì)二維不帶源項(xiàng)對(duì)流擴(kuò)散方程,基于D2Q4離散速度模型,

3、用Chapman-Enskog多尺度分析技術(shù),將時(shí)間尺度取為二階,空間尺度取為一階,推導(dǎo)了各個(gè)速度方向上的平衡態(tài)分布函數(shù)所滿足的條件,給出了簡(jiǎn)單且對(duì)稱的平衡態(tài)分布函數(shù)表達(dá)式,所得到的平衡態(tài)分布函數(shù)能正確地恢復(fù)出二維對(duì)流擴(kuò)散方程,從而構(gòu)建了一種新的求解二維對(duì)流擴(kuò)散方程的D2Q4格子Boltzmann(LB)模型。用所給LB模型對(duì)擴(kuò)散方程和三個(gè)不同初邊界條件的對(duì)流擴(kuò)散方程進(jìn)行了數(shù)值求解。分析了數(shù)值解和精確解之間的相對(duì)誤差、L2范數(shù)誤差以及L

4、∞誤差,數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)值解與精確解吻合較好,與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果比較邊界誤差要小的多,驗(yàn)證了模型的有效性。
  最后,研究了帶源項(xiàng)對(duì)流擴(kuò)散方程的格子Boltzmann模型。通過(guò)借鑒相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)源項(xiàng)的處理,只要對(duì)格子Boltzmann的演化方程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,增加對(duì)源項(xiàng)的處理,就能在前面得出的一維和二維模型基礎(chǔ)上,正確的恢復(fù)出帶源項(xiàng)的對(duì)流擴(kuò)散方程,而且增加對(duì)源項(xiàng)處理后,模型的平衡態(tài)分布函數(shù)保持不變。然后,分別對(duì)一維和二維帶源項(xiàng)的方程進(jìn)行了

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