用于微流控应用的格子 Boltzmann 颜色梯度与伪势多组分模型物理精度及数值稳定性的定量比较
流体动力学
2022-09-07 v1 计算物理
摘要
在 breakup、coalescence 和流体细丝收缩十分重要的多个物理流动问题上，对颜色梯度（CG）与 Shan-Chen（SC）多组分格子 Boltzmann 模型进行了并排定量比较。这些流动问题关乎微流控应用、如喷墨打印中可见的微滴喷射以及乳液动力学。结果表明，就密度比、黏度比和表面张力值而言，CG 可访问的参数范围显著更宽。模拟喷墨打印中液滴形成过程需要高密度比 的数值稳定性，我们在此证明使用 CG 模型可实现，而 SC 模型则不能。在物理精度方面，CG 模型对液滴振荡和细丝收缩测试用例与解析解吻合良好。SC 模型能有效准确模拟细丝收缩，但在处理液滴振荡时精度较差。Rayleigh-Plateau 不稳定性模拟显示，当 breakup 发生时，CG 和 SC 模型均给出物理上真实的结果，尽管 SC 模型中较小的卫星液滴因液滴质量蒸发进入环境相而迅速消失。我们的结果表明，CG 模型因兼具数值稳定性与物理精度，是液滴形成挑战性模拟的合适选择。我们还提出了一种为 CG 引入界面间排斥力的新方法，可应用于稳定乳液的研究。具体而言，我们展示 CG 模型可对已知 SC 模型的多范围势扩展建模分离压产生类似结果，从而开辟其用于致密稳定乳液研究的可能。
引用
@article{arxiv.2110.05197,
title = {A quantitative comparison of physical accuracy and numerical stability of Lattice Boltzmann color gradient and pseudopotential multicomponent models for microfluidic applications},
author = {Karun P. N. Datadien and Gianluca Di Staso and Herman M. A. Wijshoff and Federico Toschi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2110.05197},
year = {2022}
}