[发明专利]一种气液相变的介观模拟方法

权利要求书

1.一种气液相变的介观模拟方法，其特征在于：采用稠密气体状态方程刻画分子间短程排斥效应、成对相互作用力模仿分子间长程吸引效应，基于密度分布函数描述并求解质量-动量守恒定律，引入总动能分布函数描述并求解能量守恒定律；包括如下步骤：

S1、选定实际气体状态方程及参数，确定初始温度，确定气相和液相的饱和密度，设定气液两相间的表面张力和相界面宽度；

S2、设定网格空间步长和模拟区域网格数，计算相互作用强度、格子声速、时间步长、定容比热容；

S3、初始化网格点处的密度、速度、总动能、温度、压力，根据密度场计算成对相互作用力，初始化密度分布函数和总动能分布函数；

S4、执行密度分布函数格子Boltzmann方程的局部碰撞过程，得到碰撞后的密度分布函数；执行总动能分布函数格子Boltzmann方程的局部碰撞过程，得到碰撞后的总动能分布函数；

S5、执行密度分布函数格子Boltzmann方程的线性迁移过程，得到下一时刻的密度分布函数；执行总动能分布函数格子Boltzmann方程的线性迁移过程，得到下一时刻的总动能分布函数；

S6、计算下一时刻的密度，根据密度场计算成对相互作用力，计算下一时刻的速度、总动能、温度、压力；

S7、根据实际边界条件确定边界网格点处的密度、速度、总动能、温度、压力，采用格子Boltzmann方法中的边界条件处理格式构造边界网格点处的密度分布函数和总动能分布函数；

S8、重复步骤S4～S7，直至气液相变结束或到达指定时刻。

2.根据权利要求1所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：总动能ρe_k的热力学定义为内动能ρ∈_k和宏观动能之和，即内动能ρ∈_k和内位能ρ∈_p共同构成内能ρ∈，即ρ∈＝ρ∈_k+ρ∈_p；内能ρ∈和宏观动能共同构成总能ρe，即其中，ρ为密度、u为速度、e_k为比总动能、∈_k为比内动能、∈_p为比内位能、∈为比内能、e为比总能。

3.根据权利要求2所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：密度ρ、速度u、内动能ρ∈_k、总动能ρe_k在介观层面的物理意义为ρ＝∫f(x,ξ,t)dξ、ρu＝∫f(x,ξ,t)ξdξ、此处，f(x,ξ,t)为动理学理论中Boltzmann方程所描述的连续型密度分布函数，ξ为分子运动速度、x为空间位置、t为时间。

4.根据权利要求3所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：内动能ρ∈_k与温度T之间的关系为ρ∈_k＝ρc_vT，其中c_v为定容比热容。

5.根据权利要求2所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：内位能ρ∈_p是由于分子受到来自于其它分子的长程吸引力而拥有的能量。

6.根据权利要求5所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：内位能ρ∈_p的输运过程可通过模仿分子间长程吸引力做功实现。

7.根据权利要求1所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：步骤S6中的密度ρ和速度u根据密度分布函数计算，总动能ρe_k根据总动能分布函数计算，温度、压力依据热力学关系式由ρ、u和ρe_k完全确定。

8.根据权利要求1所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：密度分布函数格子Boltzmann方程应可恢复稠密气体状态方程和成对相互作用力。

9.根据权利要求1所述的气液相变的介观模拟方法，其特征在于：总动能分布函数格子Boltzmann方程应可恢复稠密气体压力做功、成对相互作用力做功、表面张力做功和粘性热耗散。