[发明专利]实现总能量守恒的晶格玻尔兹曼求解器

说明书

本公开涉及实现总能量守恒的晶格玻尔兹曼求解器。描述了用于使用用于求解标量传输方程以及解决总能量的晶格玻尔兹曼(LB)方法模拟流体流的技术。除了用于流体流的晶格玻尔兹曼(LB)函数之外，该技术还包括通过将特定总能量添加到要平流的粒子的状态并且从在时间间隔将不平流的粒子的状态减去特定总体能量来修正粒子的状态向量集，并且根据修正的状态集执行粒子平流。

优先权要求

本申请根据35 USC§119(e)要求于2019年1月10日提交的， 名称为“LATTICEBOLTZMANN SOLVER ENFORMCING TOTAL ENERGY CONSERVE SERVICE(实现总能量守恒的晶格 玻尔兹曼求解器)”的美国临时专利申请第62/790,528号的优先权， 其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

本描述涉及诸如物理流体流动的物理过程的计算机模拟。

所谓的“晶格玻尔兹曼方法”(Lattice Boltzmann Method， LBM)是一种在计算流体动力学中使用的有利技术。晶格玻尔兹曼 系统的底层动力学在于动力学理论的基本物理学，其涉及许多粒子根 据玻尔兹曼方程的运动。基础玻尔兹曼动力学系统中有两个基本的动 力学过程——碰撞和平流。碰撞过程涉及遵守守恒定律并弛豫至平衡 的粒子之间的相互作用。平流过程涉及根据粒子的微观速度对粒子从 一个位置到另一个位置的移动进行建模。

对于可压缩流，为了满足质量、动量和总能量守恒，通常使用单 个分布函数。如果使用单个分布函数来求解所有三个量，则用于 LBM的晶格应满足直至八阶的矩(moment)。在这种情况下，随 着矩需求的增加，需要大量的晶格速度，并且所产生的模板尺寸也随 之增加。使用单个粒子分布函数涉及的其他考虑因素包括分布函数稳 定性、动量和能量两者的边界条件、有关体积力(body force)和热 源的考虑因素等等。

发明内容

根据一个方面，一种用于在计算机上模拟流体流动(其中该模拟 实现总能量守恒)的方法包括模拟流体在网格上的活动，该流体的活 动被模拟以便对粒子在网格上的移动进行建模，在计算机可访问的存 储器中为网格中的每个网格位置存储状态向量集，每个状态向量包括 多个条目，这些条目与对应网格位置处的可能动量状态中的特别(particular)动量状态相对应，通过计算机为网格中的网格位置计 算能量值集，通过计算机对于时间间隔执行粒子到后续网格位置的平 流，以及通过计算机通过将特定总能量值添加到平流的粒子的状态并 从在该时间间隔未平流的粒子的状态中减去所述特定总能量值，修正 粒子的状态向量。

各方面还包括计算机程序产品、一个或多个机器可读硬件存储设 备、装置和计算系统。

在本文所述的特征之中，上述方面中的一个或多个可以包括以下 特征中的一个或多个。

在粒子根据修正的状态集平流到后续网格位置之后，该方面包括 在计算矩之前将局部压力项加回到粒子状态以提供适当的压力梯度 局部压力项包括由计算机计算的θ-1个项。模拟流体流动 的活动包括部分地基于第一离散晶格速率集来模拟流体流动。所述方 法还包括部分地基于第二离散晶格速率集来模拟标量的时间演化。第 二离散晶格速率集与第一离散晶格速率集相同。第二离散晶格速率集 的晶格速率的数量与第一离散晶格速率集不同。模拟总能量的时间演 化包括收集对于碰撞和能量算子的来自相邻网格位置的传入分布，对 传入分布进行加权，确定作为碰撞和能量算子乘积的传出分布，并传 播所确定的传出分布。

模拟标量的时间演化包括部分基于碰撞算子模拟标量的时间演化， 该碰撞算子有效地将由碰撞和能量算子的乘积得到的动量通量表达为 一阶项。为了对于任意普朗特(Prandtl)数恢复精确剪切应力，能 量碰撞项由下式给出：