耦合对流扩散方程的格子Boltzmann模型及应用研究

摘要

对流扩散方积是一类播述对流和扩散现象的数学模项，在污染治理、石油输运、化学反应、疾病治疗、微流体控制等自然和工程领域有着广泛的应用。然而实际问题往往涉及多个变系数对流扩散方积的相互耦合，现有解析方法难以有效地求解此类复杂问题。随着计算机技术的快速发展，数位方法已成为研究这类复杂问题的有效手段，近年来发展起来的介观格子Botzmann方法从有本质并行、算法简单、格式通用等特点也被用于研究对流扩散方程。
　　在单个或耦合对流扩散方程中，变系数的影响往往不可忽略。本论文首先针对单个定常与非定常变系数对流扩散方程，分别设计了相应的格子Boltzmann模型：其次，通过对源项的处理，我们分别对守恒和非守恒形式的耦合对流扩散方程构造了格子Boltzmannmi模型：再次，对含间三阶混合偏导数的广义粘性波方程,我们通过变量代换将其化成耦合扩散方程，进而用格子Boltzmann模型进行求解；最后,利用发展的格子Boltzmann模型研究了由耦合对流扩散方程描述的螺旋波动力学及复方积控制的波色-爱因斯坦凝聚。
　　本论文主要对格子Boltzmann模型构建及应用展开研究,其中，在模型构建方面，主要开展了以下四项工作：
　　(1)基于定常变系数对流扩散方程的特点，本文提出了一个简单、通用、高效的格子Boltzmann模型。该模型可以用来处理一般定常变系数的对流扩散方程，且具有计算机格式简单，收敛速度快等特点。
　　(2)通过引入与变系数对流项相关的辅助函数，构造了一个求解非定常变系数对流扩散方秤的格子Boltzmann模型。该模型能够包食常系数对流扩散方程的格子Boltzmann模型，是已有求解对流扩散方程模型的拓展。
　　(3)针对守恒形式的《维耦合对流扩散方积和一维耦合粘性Burgers方积，利用源项的特殊处理和一维方程的特殊性，分别提出了相应的格子Boltzmann模型;对于非守恒形式的二维耦合Burgers方程，利用格子Boltzmann方法本身的特点，将对流项中变系数部分当作源项处理，构造了两个存效的格子Boltzmann模型。最后，Chapman-Enskog分析及数值实验结火验证了模项的可靠性和正确性。
　　⑷在上述研究基础上，木论文还研究了一类厂阶非线性粘性波初边值问题，通过采用变量代换将其转化为耦合扩散方积后进行求解。数位模拟结火验证了格子Boltzmann方法求解这类方程的可靠性。
　　基于上述模型，本文也开展了以两个方面的应用研究：
　　(1)螺旋波问题的相关研究在心室失颤引发的心脏猝死中具有重要意义。对于耦合反应对流扩散方积控制的螺旋波问题，我们采用本文提出的求解耦合对流扩散方程的格Boltzmann模型,模拟了螺旋波形成、在电场力作用下消亡以及在应变力作用下变形和破裂过程。
　　(2)采用本文提出的模型研究由Gross-Pitaevskii方程描述的波色-爱因斯坦凝聚中的聚焦及散焦问题。数值模拟结果表明，格子Boltzmann方法可以有效的研究这类问题，进一步扩展了格子Boltzmann方法的应用范围。
　　总之，对于单个及耦合的对流扩散方积，本文从理论模型和实际应用两方面进行了研究。根据所求对流扩散方积的特点，通过源项处理提出了多个求解单个及耦合对流护散方程的格子Boltzmann模型，并借助Chapman-Enskog分析证明了模型的正确性，同时数位模拟也表明了这些模型在具体应用上的有效性。在此基础上，我们还研究了由耦合对流扩散方程描述的螺旋波及波色-爱因斯坦凝聚，进一步拓展了格子Boltzmann.方法的应用领域。

目录

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 格子Boltzmann方法

1.3 对流扩散方程的研究现状

1.4 研究内容

1 .5 全文安排

2 定常对流扩散方程的格子Boltzmann模型

2.1 引言

2.2 定常对流扩散方程的格子Boltzmann模型

2 .3 数值实验

2 .4 本章小结

3 变系数对流扩散方程的格子Boltzmann模型

3.1 引言

3.2 变系数对流扩散方程的格子Boltzmann模型

3.3 数值实验

3.4 本章小结

4 耦合对流扩散方程的格子Boltzmann模型

4 .1 引言

4.2 守恒形式耦合对流扩散方程的格子Boltzmann模型

4.3 非守恒形式耦合对流扩散方程的格子Boltzmann模型

4.4 数值实验

4.5 本章小结

5 一类粘性波方程的格子Boltzmann模型

5.1 引言

5.2 模型建立

5.3 数值实验

5.4 本章小结

6 耦合对流扩散方程的应用研究

6.1 引言

6 .2 螺旋波形成及控制

6 .3 玻色-爱因斯坦凝聚

6.4 本章小结

7 总结与展望

7 .1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间参加的学术会议

附录3 攻读学位期间主持及参与的科研项目