对流扩散方程的多松弛格子Boltzmann模型:边界条件的离散效应和稳定性分析

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对流扩散方程是一类重要的偏微分方程,其在环境工程、流体力学、材料科学等众多领域都有着广泛的应用。随着计算机技术的快速发展,数值方法已成为求解该类方程的重要手段之一。介观格子Bolzmann(LB)方法是近年来迅速发展起来的一种数值计算方法,它具备算法简单、格式通用以及天然并行等特点,这使得它在求解偏微分方程方面也体现了很大的优势。本文的工作正是针对二维对流扩散方程的多松弛(MRT)的LB模型(格子玻尔兹曼模型)展开的。  首先,本文分别基于三种离散速度格式分析了MRT模型中半反弹边界条件的离散效应。我们先从理论上对一个在x或者y方向成抛物分布的简单问题进行了半反弹边界的离散效应进行分析,研究发现边界上确实存在着数值滑移,且其正比于空间步长的平方,这表明MRT模型在空间上具有二阶精度。此外,理论分析还表明MRT模型可以通过调节对应于二阶矩的自由松弛因子消除数值滑移,但单松弛(BGK)模型的数值滑移只有在松弛因子取某一特定值时才能得以消除,而这一条件对于给定的扩散系数并不一定能满足。我们的数值模拟也验证了理论分析的结果。  其次,本文还采用von-Neumann方法详细分析了二维对流扩散方程的MRT模型的稳定性。研究结果表明,对应质量守恒的松弛因子对MRT模型的稳定性区域几乎没有影响,然而其余松弛因子则对稳定性区域有较大影响。除此之外,我们还进一步对比了MRT模型与BGK模型的稳定性区域,发现通过选取合适的松弛因子可使MRT模型的稳定性更好。
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