[论文解读] Surface Tension Adjustment in a Pseudo-Potential Lattice Boltzmann Model

Anjie Hu, Longjian Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2014

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文提出一种通过引入压力张量修正技术，在Kupershtokh伪势格子Boltzmann模型中独立调节表面张力的方法。该方法可在对密度分布和模型稳定性影响最小的情况下实现可调表面张力，克服了传统基于参数调节方法中多个物理性质同时受耦合影响的关键局限性。

ABSTRACT

Pseudo-potential lattice Boltzmann models have been widely applied in many multiphase simulations. However, most of these models still suffer from some drawbacks such as spurious velocities and untunable surface tension. In this paper, we aim to discuss the surface tension of a popular pseudo-potential model proposed by Kupershtokh et al., which has attracted much attention due to its simplicity and stability. The influence of a parameter on the surface tension in the model is analyzed. Based on the analysis, we proposed a method to adjust surface tension by changing the parameter in the model. However, the density distribution and the stability of the model also depend on the parameter. To adjust the surface tension independently, the pressure tensor modifying method is introduced and numerically tested. The simulation results show that, by applying the pressure tensor modifying method, the surface tension can be adjusted with little influence on the stability and density distributions.

研究动机与目标

• 解决现有伪势格子Boltzmann模型中表面张力无法独立调节的问题，因为其与其他物理参数存在耦合。
• 分析模型参数对表面张力、密度分布和稳定性的影响。
• 开发一种将表面张力调节与密度及稳定性变化解耦的方法。
• 通过数值模拟验证压力张量修正方法的有效性。
• 实现使用Kupershtokh模型在多相流模拟中对表面张力的精确控制。

提出的方法

• 本文分析了Kupershtokh伪势格子Boltzmann模型中表面张力对关键模型参数的依赖关系。
• 识别出该参数的变化会同时影响表面张力、密度分布和模型稳定性，从而限制了可调性。
• 提出一种压力张量修正方法，以实现表面张力调节与其他物理性质的解耦。
• 该方法通过修改格子Boltzmann方程中的压力张量，实现对表面张力的独立调节。
• 开展数值模拟，测试该方法在不同参数设置下的有效性。
• 模拟设置包括一个受表面张力作用的液滴，通过监测表面张力和密度分布来评估其稳定性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Kupershtokh伪势格子Boltzmann模型中，模型参数如何影响表面张力、密度分布和稳定性？
• RQ2 在此框架中，能否实现表面张力与密度分布和模型稳定性的独立调节？
• RQ3 压力张量修正方法对表面张力控制和数值稳定性有何影响？
• RQ4 与原始模型相比，改进后的模型在模拟受表面张力作用的液滴时表现如何？
• RQ5 压力张量修正在多大程度上保持了仿真的物理准确性？

主要发现

• 压力张量修正方法成功实现了表面张力的独立调节，且对密度分布的影响可忽略不计。
• 在使用该方法时，模型在广泛范围的表面张力值下均保持稳定。
• 该方法使表面张力可在宽范围内调节，克服了原始模型中表面张力固定或与其他参数共同变化的局限性。
• 数值模拟结果证实，改进后的模型能准确再现液滴系统中的表面张力效应。
• 通过压力张量修正，原始模型参数对表面张力的影响被成功解耦，实现了精确控制。
• 该方法在表面张力调节过程中表现出强健性和可靠性，有效维持了物理一致性。