用于多尺度声子输运的统一气体动理学波粒方法
计算物理
2025-05-15 v1
摘要
在过去 70 年中，经典的 Monte Carlo 方法在稀薄气体流动和微/纳米尺度传热领域发挥了巨大作用，但它也存在缺点：时间步长和网格尺寸受限于弛豫时间和平均自由程，使得难以高效模拟从弹道极限到扩散极限的多尺度传热与传质问题。为了克服这一缺陷，本文开发了一种统一气体动理学波粒方法，用于求解涵盖弹道极限和扩散极限所有区域的声子 Boltzmann 输运方程。该方法建立在声子 BTE 的时空耦合演化模型之上，为在网格界面处构造多尺度通量提供了框架。同时，为了高效捕获非平衡输运，该多尺度通量包含两个不同部分：用于捕获近平衡或扩散输运的确定性部分，以及用于恢复非平衡或弹道输运现象的统计粒子部分。UGKWP 方法展现出显著的多尺度适应性和通用性，无缝弥合了扩散与弹道输运现象之间的差距。在扩散极限下，该方法自然收敛于 Fourier 定律，且粒子贡献逐渐消失；而在弹道极限下，非平衡通量则完全由自由流动粒子描述。这种内在的适应性不仅能够精确捕获平衡与非平衡传热过程，还保证了模型在每种声子输运区域内均严格遵循底层物理定律。
引用
@article{arxiv.2505.09297,
title = {Unified gas-kinetic wave-particle method for multi-scale phonon transport},
author = {Hongyu Liu and Xiaojian Yang and Chuang Zhang and Xing Ji and Kun Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.09297},
year = {2025}
}