題目：非平衡流動過程的跨尺度建模與模擬：基于DBM方法

報告人：許愛國研究員（北京應用物理與計算數學研究所計算物理重點實驗室）

時間：2018年4月17日上午10：00

地點：明故宮校區A18-529報告廳

主辦單位：直升機旋翼動力學國家級實驗室、科協、航空宇航學院

報告簡介：

非平衡流動形式各異，廣泛存在于自然界與工業生產領域，與我們的工作、生活息息相關。在不太稀薄情形下，大尺度緩變流動的主要特征可以使用Navier-Stokes（NS）模型進行較好的描述。但在如下一些情形，例如沖擊波或爆轟波內部、微納尺度流動、ICF中的慣性內爆、液滴的沖擊與破碎、燃燒過程中的相變-混合與湍流、強激光照射下的水滴蒸發、真空射流、高壓噴涂等一些微細觀結構效應和快變動理學模式描述方面，傳統NS建模在物理描述能力方面表現出不足；另外，空間飛行器的上升階段需要經歷一個從連續到離散、從近平衡到遠離平衡的流態變化，在再入階段需要經歷一個相反過程的流態變化；空間飛行器在飛行過程中，不同部位所經歷的流態也有較大差異。傳統流體描述是等離子體研究的重要手段之一，但等離子體內部極其復雜的非平衡效應挑戰傳統NS建模的有效性。

物理建模與算法設計是數值實驗研究中缺一不可的兩個環節。物理建模層面的誤差是無法通過算法精度提高來彌補的。本報告從物理學角度思考各種不同尺度、不同粗粒化程度物理建模之間的區別與互補。宏觀流動層面的非平衡(HNE, Hydrodynamic Non-Equilibrium) 通常使用對應質量守恒、動量守恒和能量守恒的流體動力學方程組(Hydrodynamic equations)來描述。流體動力學模型的物理精度在很大程度上取決于本構關系的合理程度。非線性本構關系動理學機理的理解要求研究與宏觀流動關系最密切的熱動非平衡(TNE, Thermodynamic Non-Equilibrium)行為。（1）從數學建模角度來看，離散Boltzmann模型(DBM, Discrete Boltzmann Model)與傳統流體模型的典型差異就是使用離散Boltzmann方程取代原來的Navier-Stokes(NS)方程；但從物理建模角度來看，這一取代是有“增益”的：一個DBM相當于一個連續流體模型外加一個相關熱動非平衡行為的粗粒化模型；該連續流體模型可以是也可以超越NS。（2）在非平衡復雜流動過程描述方面，DBM具有一定程度的跨尺度自適應性；在編程方面，DBM比連續介質模型的離散求解要方便。（3）通過DBM，可以方便地研究復雜流動過程中引起熵增的主要機制及其相對重要性。（4）DBM所提供的非平衡行為特征已經用于目標區域真實分布函數主要特征的恢復、系統內各種不同界面的物理甄別與追蹤技術設計、相變動理學過程中劃分“亞穩相分解”和“相疇融合增長”兩個階段的物理判據，用于區別普通流體與等離子體中的激波，幫助理解流體不穩定性演化過程中的物質混合、各類關聯與可壓效應，等等。（5）除了更準確地刻畫復雜流動過程中的非平衡行為特征，DBM所獲認識可以直接推動相應物理系統宏觀模型的改進。

報告人簡介：

許愛國，北京應用物理與計算數學研究所研究員；北京大學工學院兼職教授；中國工程物理研究院力學與工程學科物理力學專家組成員，博士生導師；南京理工大學兼職博士生導師；中國交叉科學學會常務理事；鄧稼先創新研究中心學術委員會委員；全國統計物理與復雜系統會議學術委員會委員；中國力學大會2017學術委員會委員；第十二屆全國爆炸力學會議組織委員會委員；《中國科學：物理 力學 天文學》“多尺度復雜系統物理建模與模擬”專輯客座編輯。1998年6月于中國工程物理研究院研究生院獲博士學位，導師為陳式剛院士；1998年7月- 2006年4月，先后工作于北京師范大學、韓國首爾大學、意大利巴里大學、日本京都大學。目前主要研究方向為：復雜介質動態響應過程中的微細觀結構與非平衡行為研究。主要建模與模擬工具包括DBM、LBM、物質點、位錯動力學、分子動力學等。主持完成國家自然科學基金、中物院發展基金、國防科技重點實驗室基金等課題10多項；在Soft Matter, Combustion and Flame， Physical Review等權威期刊發表論文100余篇；多次在國際會議做邀請報告或主旨報告。