Lattice Boltzmann method and its applications in engineering thermophysics

The lattice Boltzmann method （LBM）, a mesoscopic method between the molecular dynamics method and the conventional numerical methods, has been developed into a very efficient numerical alternative in the past two decades. Unlike conventional numerical methods, the kinetic theory based LBM simulates fluid flows by tracking the evolution of the particle distribution function, and then accumulates the distribution to obtain macroscopic averaged properties. In this article we review some work on LBM applications in engineering thermophysics： （1） brief introduction to the development of the LBM; （2） fundamental theory of LBM including the Boltzmann equation, Maxwell distribution function, Boltzmann-BGK equation, and the lattice Boltzmann-BGK equation; （3） lattice Boltzmann models for compressible flows and non-equilibrium gas flows, bounce back-specular-reflection boundary scheme for microscale gaseous flows, the mass modified outlet boundary scheme for fully developed flows, and an implicit-explicit finite-difference-based LBM; and （4） applications of the LBM to oscillating flow, compressible flow, porous media flow, non-equilibrium flow, and gas resonant oscillating flow.     

Simulation of phase transition process using lattice Boltzmann method

A new lattice Boltzmann model based on SC model, is proposed to describe the liquid-vapor phase transitions. The new model is validated through the simulation of the one-component phase transition process. Compared with the simulation results of van der Waals gas and the Maxwell equal-area construction, the results of the new model have a better agreement with the analytical solutions than those of SC and Zhang models. Since the obtained temperature range and the maximum density ratio in this model are expanded, and the magnitude of maximum spurious current is only between those of SC and Zhang models, it is believed that this new model has better stability than SC and Zhang models. Consequently, the application scope of this new model is expanded compared with the existing phase transition models. According to the principle of the corresponding states in engineering thermodynamics, the simulations of ammonia and water phase transition process were implemented using this new model with different equations of state. Compared with the experimental data of ammonia and water, the results show that the Peng-Robinson is the best equation of state to describe the phase transition process of ammonia and water. Especially, the simulation results of ammonia with Peng-Robinson equation of state have an excellent agreement with its experimental data. Therefore these simulation results have a significant influence on the real engineering applications.     

玻尔兹曼分布与费米—狄拉克分布的统一

用数值方法讨论了玻尔兹曼分布和费米-狄拉克分布,发现在一定的条件和范围内,它们是相互统一的.在研究这个统一时,有两个影响因素：化学势和温度.在温度稳定而化学势变化的情况下,在化学势远大于0时,两者差别比较大;化学势较小时,基本符合.在化学势稳定而温度变化的情况下,随着温度的增加,费米—狄拉克分布几率更接近于玻尔兹曼分布几率.     

高温质子交换膜燃料电池催化层孔尺度模拟

为了研究磷酸在高温质子交换膜燃料电池催化层中再分布对电极性能的影响,使用聚焦离子束电子扫描显微镜对自制的扩散电极成像,重构得到了三维的催化层几何模型;采用多弛豫时间格子玻尔兹曼模型对磷酸在催化层的迁移行为进行仿真,模拟得到递减型和准均匀型2种不同的磷酸分布形式;采用孔尺度模型求解不同条件下的电极传输性质。结果表明在磷酸含量较低时,准均匀型的磷酸分布具有稍优的电化学活性表面积和稍差的氧气和水蒸气有效扩散系数;在磷酸含量较高时,2种分布的电化学活性表面积相似,但是准均匀型分布具有更好的氧气和水蒸气有效扩散系数。     

基于神经网络的机翼结构载荷模型建立方法

建立以飞行参数为变量的机翼结构载荷模型是飞行安全监控及飞机疲劳寿命估算的重要技术基础.首先将机翼燃油质量对其结构载荷的影响分离,在此基础上依据飞机结构载荷与飞行参数间的相关性,通过相关分析结合主成分分析的方法确定了低维数且互不相关的建模参数,并采用高斯-伯努利受限玻尔兹曼机预训练的BP神经网络方法实现了模型建立.以飞机...     

真核细胞运动接触抑制行为的力学-化学耦合模拟

某些真核细胞可通过运动的接触抑制特性显著调控细胞散布、群体细胞迁移及癌细胞转移等生理、病理进程.本文基于“多层次”信号级联转导调控细胞定向迁移,考察细胞间接触调控细胞骨架重组的动力学过程,由此构建模拟运动细胞接触抑制行为的力学-化学耦合模型.细胞考虑为包含网格状微丝骨架的圆环结构,细胞接触引起微丝骨架全局应变及局部黏附共同调控Rho GTPase家族成员Rac及RhoA活性.整体数学模型由非线性反应-扩散方程组及平衡微分方程构成,对其采取自行发展LBM-D1Q3法数值求解.数值模拟通过改变FilGAP-FLNa与N-cadherin通路对细胞接触的反馈强度,重现了双细胞接触抑制实验观测现象.模拟表明,FilGAP对Rac发挥适当抑制作用有利于细胞维持理想极性,从而在N-cadherin调控下反转极性,展现出接触抑制行为;缺乏FilGAP抑制会使得细胞高度极化,此时N-cadherin调控作用不足以反转细胞已有极性,产生接触后绕行通过行为;缺乏N-cadherin调控作用会使得细胞在接触后无法反转极性,最终呈现静态黏附行为.上述模拟结果对认识细胞接触抑制信号对细胞迁移行为的影响提供了理论...     

半导体超晶格高频放大效应的研究

在直流电场和太赫兹频率交流光电场下,通过弛豫时间近似下半经典的玻尔兹曼输运理论研究了半导体超晶格微带电子的高频响应及太赫兹激光辐射的产生和放大可行性,并发现在微带中布拉格反射导致的高频放大共振可以利用交流的探测激光场观察到.     

利用深度玻尔兹曼机与典型相关分析的自动图像标注算法

提出一种基于深度玻尔兹曼机与典型相关分析的自动图像标注算法(DBM-CCA)。该算法利用深度玻尔兹曼机实现图像与文本的低层次特征向稀疏高层次抽象概念的转变,并通过典型相关分析建立子空间映射关系以实现标注词汇的生成。首先在深度玻尔兹曼机提取图像与文本高层特征过程中,选用伯努利分布和高斯分布分别拟合标注词汇和图像特征,然后在图像与标注词汇高层特征形成的典型变量空间内计算待标注图像与训练集图像的马氏距离并据此加权计算得到高层标注词汇特征,最后由平均场估计生成图像标注词汇。实验结果表明,所提算法对图像的标注准确率改善较好,与经典的基于监督的多类标签方法和多重伯努利相关模型相比,在Corel5K实验中平均查准率和查全查准均率分别提高了10%和5%。     

玻耳兹曼和萨哈玻耳兹曼法测量Ti等离子体电子温度的实验研究

电子温度是表征激光等离子体特性的主要特征参数,对等离子体电子温度的诊断可进一步深入理解等离子体内部的反应机制及其变化过程．激光诱导击穿光谱技术（LIBS）作为一种新型的等离子体诊断技术,可应用于等离子体各种性质的研究和参数的诊断．大气压环境下产生的等离子体一般被看作处于局域热平衡状态,可以用玻尔兹曼或萨哈玻尔兹曼法确定电子温度．笔者介绍了玻尔兹曼和萨哈玻尔兹曼确定电子温度的两种方法,通过对实验得到的Ti等离子体发射光谱分析,发现两种方法得到的电子温度往往存在差异,且在玻尔兹曼法中利用中性原子和离子得到的电子温度也往往不同,在文章中对这些差异进行了解释．