开尔文-亥姆霍兹不稳定性中的多尺度热力学非平衡效应及其相对重要性
流体动力学
2025-03-28 v3 计算物理
摘要
本研究利用高阶离散玻尔兹曼模型（DBM）研究了开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）发展过程中热力学非平衡效应（TNE）的复杂动力学及其相对重要性。首先，评估了不同离散速度集在捕捉TNE和分布函数方面的能力和差异。提出了构建离散速度模板的实用指南，以增强相空间离散化并提高高阶DBM模拟的鲁棒性。在KHI的不同阶段和不同初始条件下，多尺度TNE（如不同阶的粘性应力）展现出不同的主导作用。具体而言，确定了三种情景：（i）由一阶TNE主导的区域，（ii）一阶和二阶TNE交替主导的区域，以及（iii）由二阶TNE支配系统行为的状态。为了定量捕捉这些转变，基于相对热力学非平衡强度（）建立了KHI演化中不同阶TNE主导性的判据。在二阶TNE主导的情景中，从宏观量、非平衡效应和动力学矩方面比较了一阶和二阶模型的差异，揭示了低阶模型在捕捉TNE方面的物理局限性。此外，在二阶TNE主导的条件下，检验了一个代表性高阶模型的有效性、可扩展性和局限性。为概括这些发现，构建了一个直观映射KHI多尺度特征的非平衡相图。该相图不仅为不同非平衡效应的动态相互作用提供了直观见解，而且为在不同非平衡条件下选择合适的模型提供了一张动力学路线图。
引用
@article{arxiv.2502.02474,
title = {Multiscale thermodynamic nonequilibrium effects in Kelvin-Helmholtz instability and their relative importance},
author = {Zhongyi He and Yanbiao Gan and Bin Yang and Demei Li and Huilin Lai and Aiguo Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2502.02474},
year = {2025}
}