格子Boltzmann方法在工程热物理中的进展与应用

格子Boltzmann方法是一种独特的数值模拟工具，在过去20年中因其高效性而在工程热物理领域得到了广泛应用。这种方法源自分子动理论，不同于传统的基于连续介质假设的流体模拟技术，而是采用了介观视角，通过模拟粒子分布函数的传输过程来推导宏观物理特性。本文由何雅玲、李庆、王勇和唐桂华等人合作完成，他们在《科学通报》2009年第54卷第18期发表了题为《格子Boltzmann方法的工程热物理应用》的文章。 文章首先概述了格子Boltzmann方法的发展历程，从最初的Boltzmann方程出发，经过Maxwell分布的引入，进一步发展到Boltzmann-BGK方程，最后形成格子Boltzmann-BGK方程。这种理论基础和基本模型构建了格子Boltzmann的核心框架，强调了其在理想气体可压缩流动和传热方面的精确模拟能力。 在模型发展方面，文章特别提到了耦合双分布函数模型，这个模型适用于处理理想气体在流动和传热过程中的相互作用。此外，对于非平衡态气体流动的模拟，格子Boltzmann模型也发挥了关键作用，它允许更准确地处理复杂动态情况。 边界条件处理也是文章的重点内容，文中讨论了两种常见的处理方式：反弹和镜面漫反射格式，以及质量修正格式，这些方法对于保证模拟结果的准确性至关重要。在计算格式上，显式-隐式有限差分格式被提出，这种格式通过结合显性和隐式处理策略，提高了计算效率，使得大规模复杂问题的解决成为可能。 文章的另一大亮点是关于格子Boltzmann方法在实际应用中的展现，尤其是对交变流动和可压缩流动的研究。这些应用涵盖了从流体力学到热交换器设计，再到热管理等领域，证明了格子Boltzmann方法在解决工程热物理问题上的广泛适用性。 这篇综述详细回顾了格子Boltzmann方法的发展历程、理论基础、模型构建、边界条件处理和计算优化，以及其在工程热物理领域的实际应用案例，为读者提供了一个全面理解这一重要数值工具的窗口。