格子Boltzmann方法的DnQb模型

这是自己的一份笔记,主要是和格子Boltzmann方法的DnQb离散速度模型相关的。还请读者确定自己已经知道常见的DnQb模型长什么样再来读这篇文章,这样会好理解一些。

Gauss-Hermite积分与DnQb模型

一般来说,密度分布函数的Maxwell-Boltzmann平衡态分布为:

feq=ρ(2πRT)D/2exp[(ξu)22RT],(1-1)f^{eq} = \frac{\rho}{ (2 \pi R T)^{D/2} } \exp \left[ - \frac{(\boldsymbol{\xi} - \boldsymbol{u})^2}{2 R T} \right], \tag{1-1}

其中 ξ\boldsymbol{\xi} 为分子速度;RR 为气体常数;DD为问题的维度数;ρ\rho 为流场密度;u\boldsymbol{u} 为流场速度。而 LBM 里常用的离散平衡态分布一般写作(沿着 cα\boldsymbol{c}_\alpha 方向,权重为 WαW_\alphacs2=RTc_s^2 = RT):

fαeq=ρWα×[1+ξαucs2+(ξαu)22cs4u22cs2].(1-2)f^{eq}_{\alpha} = \rho W_{\alpha} \times \left[ 1 + \frac{\boldsymbol{\xi}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{u}}{c_s^2} + \frac{(\boldsymbol{\xi}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{u})^2}{2 c_s^4} - \frac{|\boldsymbol{u}|^2}{2 c_s^2} \right]. \tag{1-2}

那么这两者是怎么联系起来的呢?参考文献 [1] 讲的就是这个事情。最近自己总算是略懂一点了,这里把笔记写下来,作为备忘录。

平衡态分布的展开

当马赫数远小于1时,我们可以对式(1)的平衡态做如下离散:

feq(ξ)=ρ(2πRT)D/2exp(ξ22RT)×[1+ξuRT+(ξu)22(RT)2u22RT](1-3)\begin{aligned} f^{eq} (\boldsymbol{\xi}) &= \frac{\rho}{ (2 \pi R T)^{D/2} } \exp \left( - \frac{|\boldsymbol{\xi}|^2}{2 R T} \right)\\ & \quad \times \left[ 1 + \frac{\boldsymbol{\xi} \cdot \boldsymbol{u}}{R T} + \frac{(\boldsymbol{\xi} \cdot \boldsymbol{u})^2}{2 (R T)^2} - \frac{|\boldsymbol{u}|^2}{2 R T} \right] \end{aligned} \tag{1-3}

式(1-3)中,我们对 u\boldsymbol{u} 进行展开,并且只截断到2阶。而格子Boltzmann方法(LBM)要做的,便是把下面的这个积分

+ψ(ξ)feq(ξ)dξ\int_{-\infty}^{+\infty} \psi(\boldsymbol{\xi}) f^{eq} (\boldsymbol{\xi}) \mathrm{d}\boldsymbol{\xi}

用离散的方式近似计算,其中 ψ(ξ)\psi(\boldsymbol{\xi}) 是关于 ξ\boldsymbol{\xi} 的多项式。下面我们将先以一维的情况为例,不去考虑多维的积分,简单讲讲数值离散的具体操作。

一维情形的离散 —— 以 D1Q3 为例

由于这一节只讨论一维问题,分子速度 ξ\xi 和宏观速度 uu 即是标量值(不需要向量形式的加粗),并且维度 D=1D=1。所以,式(3)写作

feq(ξ)=ρ(2πRT)1/2exp(ξ22RT)×[1+ξuRT+(ξu)22(RT)2u22RT].(1-4)\begin{aligned} f^{eq} (\xi) &= \frac{\rho}{ (2 \pi R T)^{1/2} } \exp \left( - \frac{\xi^2}{2 R T} \right)\\ & \quad \times \left[ 1 + \frac{\xi u}{R T} + \frac{(\xi u)^2}{2 (R T)^2} - \frac{u^2}{2 R T} \right]. \end{aligned} \tag{1-4}

积分形式的抽象

式(1-4)的中括号内的四项可以用积分的加法拆成四个积分,并且每一项都可以看成如下形式:

Constant+exp(ξ22RT)ψ(ξ)dξ,\text{Constant} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} \exp \left( - \frac{\xi^2}{2 R T} \right) \psi(\xi) \mathrm{d}\xi,

其中 ψ(ξ)\psi(\xi) 为关于 ξ\xi 的多项式。那么,我们令 ψm(ξ)=ξm\psi_{m}(\xi) = \xi^{m}mm 为自然数),将研究目标变为式(1-5)的通式,即:

ρ(2πRT)1/2+exp(ξ22RT)ψm(ξ)dξ.(1-5)\frac{\rho}{ (2 \pi R T)^{1/2} } \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} \exp \left( - \frac{\xi^2}{2 R T} \right) \psi_{m}(\xi) \mathrm{d}\xi. \tag{1-5}

为简化这个积分的计算,这里需要引入变量代换

ζ=ξ/2RT,\zeta = \xi / \sqrt{2 R T},

dξ=2RTdζ.\mathrm{d}\xi = \sqrt{2 R T} \mathrm{d}\zeta.

代换后,有:

ρ(2πRT)1/2+exp(ζ2)ψm(2RTζ)2RTdζ=ρ(2πRT)1/2(2RT)(m+1)/2Im=ρπ(2RT)m/2Im\begin{aligned} & \frac{\rho}{ (2 \pi R T)^{1/2} } \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} \exp \left( - \zeta^2 \right) \psi_{m}(\sqrt{2 R T} \zeta) \sqrt{2 R T} \mathrm{d}\boldsymbol{\zeta} \\=& \frac{\rho}{ (2 \pi R T)^{1/2} } \cdot (2 R T)^{(m+1)/2} \cdot I_m \\=& \frac{\rho}{\sqrt{\pi}} \cdot (2 R T)^{m/2} \cdot I_m \end{aligned}

其中 Im=+exp(ζ2)ζmdζ\displaystyle I_m = \int_{-\infty}^{+\infty} \exp \left( - \zeta^2 \right) \zeta^m \mathrm{d}\boldsymbol{\zeta},且 mm 为自然数。

所以,下面的积分会被展开为

I=+ψm(ξ)feq(ξ)dξ=ρπ[(1u22RT)(2RT)m/2Im+uRT(2RT)(m+1)/2Im+1+u22(RT)2(2RT)(m+2)/2Im+2].(1-6)\begin{aligned} I=& \int_{-\infty}^{+\infty} \psi_m(\xi) f^{eq} (\xi) \mathrm{d}\xi \\=& \frac{\rho}{\sqrt{\pi}} \left[ \left(1 - \frac{u^2}{2 R T}\right) (2 R T)^{m/2} I_m + \frac{u}{RT} (2 R T)^{(m+1)/2} I_{m+1} \right. \\&\qquad \left. + \frac{u^2}{2(RT)^2} (2 R T)^{(m+2)/2} I_{m+2} \right]. \end{aligned} \tag{1-6}

数值积分的构造

假设我们想用一个三点格式的Gauss-Hermite数值积分进行近似,则:

+exp(ζ2)ϕ(ζ)dζ=i[1,0,1]wiϕ(ζi).\int_{-\infty}^{+\infty} \exp(- \zeta^2) \phi(\zeta) \mathrm{d} \zeta = \sum_{i \in [-1, 0, 1]} w_{i} \phi(\zeta_{i}).

其中:

ζ0=0,ζ1=3/2,ζ1=3/2,w0=2π/3,w1=π/6,w1=π/6.\begin{aligned} \zeta_0 = 0 ,\quad& \zeta_{1} = \sqrt{3/2} ,\quad& \zeta_{-1} = -\sqrt{3/2} ,\\ w_0 = 2\sqrt{\pi} / 3 ,\quad& w_{1} = \sqrt{\pi} / 6 ,\quad& w_{-1} = \sqrt{\pi} / 6. \end{aligned}

如果用变换关系代换回 ξ\xi,则 ξ0=0\xi_0 = 0, ξ1=3RT\xi_{-1} = -\sqrt{3RT}ξ1=3RT\xi_{1} = \sqrt{3RT}.

所以,积分 ImI_m 可以被近似成:

Im=+exp(ζ2)ζmdζi[1,0,1]wiζim=(2RT)m/2i[1,0,1]wiξim\begin{aligned} I_m &= \int_{-\infty}^{+\infty} \exp \left( - \zeta^2 \right) \zeta^m \mathrm{d}\boldsymbol{\zeta} \\&\approx \sum_{i \in [-1, 0, 1]} w_{i} \zeta_{i}^m \\&= (2RT)^{-m/2} \sum_{i \in [-1, 0, 1]} w_{i} \xi_{i}^m \end{aligned}

也就是说,

(2RT)m/2Imi[1,0,1]wiξim(2 R T)^{m/2} I_m \approx \sum_{i \in [-1, 0, 1]} w_{i} \xi_{i}^m

综上所述,式(1-6)就会被改写为:

I=+ψm(ξ)feq(ξ)dξi[1,0,1]ξim{ρwiπ[1+ξiuRT+(ξiu)22(RT)2u22RT]}.\begin{aligned} I=& \int_{-\infty}^{+\infty} \psi_m(\xi) f^{eq} (\xi) \mathrm{d}\xi \\ \approx& \sum_{i \in [-1, 0, 1]} \xi_{i}^{m} \cdot \left\{ \rho \frac{w_{i}}{\sqrt{\pi}} \cdot \left[ 1 + \frac{\xi_{i} u}{R T} + \frac{(\xi_{i} u)^2}{2 (R T)^2} - \frac{u^2}{2 R T} \right] \right\}. \end{aligned}

到这一步,我们就可以定义 ξi\xi_{i} 方向的离散平衡态 fieqf^{eq}_{i} 为:

fieq=ρWi[1+ξiucs2+(ξiu)22cs4u22cs2].(1-7)f^{eq}_{i} = \rho W_{i} \cdot \left[ 1 + \frac{\xi_{i} u}{c_s^2} + \frac{(\xi_{i} u)^2}{2 c_s^4} - \frac{u^2}{2 c_s^2} \right]. \tag{1-7}

其中的权重 Wi=wi/πW_{i} = w_i / \sqrt{\pi}。并且,如果令 c=3RTc = \sqrt{3RT}, 则 cs=RT=c/3c_s = \sqrt{RT} = c / \sqrt{3}

至此,我们就整理出了 D1Q3 模型:

i{i} 离散速度 ξi\xi_{i} 权重系数 WiW_i
0 0 2/3
-c -c 1/6
c c 1/6

注意:在多数LBM实践中,我们通常将 cc 无量纲化,即令 c=1c=1

更高维的扩展

由于各个坐标轴之间是正交的,这种做法同样可以拓展到高维空间。

打个比方,对于三维问题, ξ=[ξx,ξy,ξz]T\boldsymbol{\xi} = [\xi_x, \xi_y, \xi_z]^{\mathrm{T}}, 则 dξ=dξxdξydξz\mathrm{d}\boldsymbol{\xi} = \mathrm{d}\xi_x \mathrm{d}\xi_y \mathrm{d}\xi_z。积分时就只需要将不同方向的分量分离出来就可以了。

对于二维问题,记 ψm,n(ξ)=ξxmξyn\psi_{m,n}(\boldsymbol{\xi})=\xi_x^{m} \xi_y^{n},则

I=ψm,n(ξ)f(st)dξ=ρπ(2RT)m+n{(1u22RT)ImIn+12RT2(uxIm+1In+uyImIn+1)+1RT(ux2Im+2In+2uxuyIm+1In+1+uy2ImIn+2)}(1-8)\begin{aligned} I =& \int\psi_{m , n} (\boldsymbol{\xi}) f^{( \mathrm{s t} )} \mathrm{d}\boldsymbol{\xi} \\=& \frac{\rho}{\pi} ( \sqrt{2 R T} )^{m+n} \Biggl\{\left( 1-\frac{u^{2}} {2 R T} \right) I_{m} I_{n} \\&+ \frac{1} {\sqrt{2 R T}} 2 ( u_{x} I_{m+1} I_{n}+u_{y} I_{m} I_{n+1} ) \\&+ \frac{1} {R T} (u_{x}^{2} I_{m+2} I_{n}+2 u_{x} u_{y} I_{m+1} I_{n+1}+u_{y}^{2} I_{m} I_{n+2}) \Biggr\} \end{aligned} \tag{1-8}

式(1-8)同样可以整理成:

I=i,j[1,0,1]ψ(ξi,j){ρwiwjπ[1+ξi,jucs2+(ξi,ju)22cs4u22cs2]}(1-9)I = \sum_{i,j\in[-1,0,1]} \psi(\boldsymbol{\xi}_{i,j}) \cdot \left\{ \rho \frac{w_i w_j}{\pi} \left[ 1 + \frac{\boldsymbol{\xi}_{i,j} \cdot \boldsymbol{u}}{c_s^2} + \frac{(\boldsymbol{\xi}_{i,j} \cdot \boldsymbol{u})^2}{2 c_s^4} - \frac{\|\boldsymbol{u}\|^2}{2 c_s^2} \right] \right\} \tag{1-9}

其中 ξi,j=2RT(ζi,ζj)\boldsymbol{\xi}_{i,j}=\sqrt{2RT} (\zeta_i,\zeta_j)。令 Wi,j=wiwj/πW_{i,j} = w_i w_j / \pi ,便得出了 D2Q9 模型的权重。

类似的,对于三维问题,则可以整理出

I=i,j,k[1,0,1]ψ(ξi,j,k){ρwiwjwkπ3/2[1+ξi,j,kucs2+(ξi,j,ku)22cs4u22cs2]}(1-10)I = \sum_{i,j,k\in[-1,0,1]} \psi(\boldsymbol{\xi}_{i,j,k}) \cdot \left\{ \rho \frac{w_i w_j w_k}{\pi^{3/2}} \left[ 1 + \frac{\boldsymbol{\xi}_{i,j,k} \cdot \boldsymbol{u}}{c_s^2} + \frac{(\boldsymbol{\xi}_{i,j,k} \cdot \boldsymbol{u})^2}{2 c_s^4} - \frac{\|\boldsymbol{u}\|^2}{2 c_s^2} \right] \right\} \tag{1-10}

其中 ξi,j,k=2RT(ζi,ζj,ζk)\boldsymbol{\xi}_{i,j,k}=\sqrt{2RT} (\zeta_i,\zeta_j,\zeta_k)。令 Wi,j,k=wiwjwk/π3/2W_{i,j,k} = w_i w_j w_k / \pi^{3/2} ,便得出了 D3Q27 模型的权重。

待定系数法与DnQb模型

上面的内容可以说从数学上给出了明确的证明。然而实际使用中,其实还是用待定系数法来敲定 DnQb 模型更多一些。下面的内容里,为了保持和何雅玲老师的书标号一致,这里将第 α\alpha 个格子速度向量记作 eα\boldsymbol{e}_{\alpha},其权重也记作 ωα\omega_{\alpha}

一般来说,d 维空间下的格子速度的 n 阶张量为:

Ei1i2...in(n)=α(eα)i1(eα)i2...(eα)in(2-1)E_{i_1 i_2 ... i_n}^{(n)} = \sum_{\alpha} (\boldsymbol{e}_{\alpha})_{i_1} (\boldsymbol{e}_{\alpha})_{i_2} ... (\boldsymbol{e}_{\alpha})_{i_n} \tag{2-1}

假如你选取的离散速度集(共有 MM 个速度)是各向同性的,则应该满足

Ei1i2...i2n+1(2n+1)=0,E^{(2n+1)}_{i_1 i_2 ... i_{2n+1}} = 0,

Ei1i2...i2n(2n)=Md(d+2)...(d+2n2)Δi1i2...i2n(2n)E^{(2n)}_{i_1 i_2 ... i_{2n}} = \frac{M}{d (d+2) ... (d+2n-2)} \Delta^{(2n)}_{i_1 i_2 ... i_{2n}}

下面我们首先从张量算子 Δ(2n)\Delta^{(2n)} 开始介绍。详情可见文献 [2] 的第3章,这篇文章在scihub上可以直接下载。

格子张量

张量算子 Δ(2n)\Delta^{(2n)} 实际上计算的是将 2n2n 个指标全部两两配对的所有方式之和。它的具体形式为:

Δij(2)=δijΔijkl(4)=δijδkl+δikδjl+δilδjkΔijklpq(6)=δijΔijkl(4)+δikΔjlpq(4)+δilΔjkpq(4)+δipΔjklq(4)+δiqΔjklp(4)\begin{aligned} \Delta^{(2)}_{ij}&=\delta_{ij} \\ \Delta^{(4)}_{ijkl}&=\delta_{ij}\delta_{kl} + \delta_{ik}\delta_{jl} + \delta_{il}\delta_{jk} \\ \Delta^{(6)}_{ijklpq}&=\delta_{ij}\Delta^{(4)}_{ijkl} + \delta_{ik}\Delta^{(4)}_{jlpq} + \delta_{il}\Delta^{(4)}_{jkpq} + \delta_{ip}\Delta^{(4)}_{jklq} + \delta_{iq}\Delta^{(4)}_{jklp} \end{aligned}

并存在如下递归关系:

Δi1i2i2n(2n)=j=22nδi1,ijΔi2ij1ij+1i2n(2n2)\Delta^{(2n)}_{i_1 i_2 \dots i_{2n}} = \sum_{j=2}^{2n} \delta_{i_1, i_{j}} \cdot \Delta^{(2n-2)}_{i_2 \dots i_{j-1} i_{j+1} \dots i_{2n}}

其中 δij\delta_{ij} 为克罗内克积。

  1. 2n2n 个指标分成 nn 对再求和,共有 (2n−1)!! 项。
    计算思路为 :第一个元素有 (2n−1) 个选择配对;剩下 (2n−2) 个元素之中的第一个有 (2n−3) 个选择;后续依此类推。
  2. 有的书会从排列组合视角出发,写成 (2n)!2nn!=总积偶数部分的积\frac{(2n)!}{2^n n!} = \frac{\text{总积}}{\text{偶数部分的积}},结果是等价的。
    计算思路为2n2n 个元素的全排列,除以每对内部的顺序(2n2n),再除以 nn 对之间的顺序(n!n!)。

为了简洁表示 Δ(2n)\Delta^{(2n)} 的分量,文献 [2] 引入了 upper simplicial components,其索引是非递增的多重指标(如(i1,i2,,ik)(i_1,i_2,\dots,i_k),满足i1i2iki_1 \geq i_2 \geq \dots \geq i_k)。 假设我们讨论一下二维空间的 Δijkl(4)\Delta^{(4)}_{ijkl} ,其中的 i,j,k,li,j,k,l 取 1 或 2。 那么下标的所有排列便是:

  • 1111(全1,非递增)→ 值3
  • 2111(1个2、3个1,非递增)→ 值0
  • 2211(2个2、2个1,非递增)→ 值1
  • 2221(3个2、1个1,非递增)→ 值0
  • 2222(全2,非递增)→ 值3

Δ(4)=[3,0,1,0,3]\Delta^{(4)}=[3,0,1,0,3].

在后续的描述中,为了避免写一大堆下标,我们采用如下简记

E(n)=Ei1i2in(n),Δ(2n)=Δi1i2i2n(2n),δ(2n)=δi1i2i2n(2n),E^{(n)} = E^{(n)}_{i_1 i_2 \dots i_{n}}, \quad \Delta^{(2n)} = \Delta^{(2n)}_{i_1 i_2 \dots i_{2n}}, \quad \delta^{(2n)} = \delta^{(2n)}_{i_1 i_2 \dots i_{2n}},

这里的 Δ(2n)\Delta^{(2n)} 就是 {i1,i2,i2n}\{i_1, i_2, \dots i_{2n}\} 一系列下标组成的 Δi1i2i2n(2n)\Delta^{(2n)}_{i_1 i_2 \dots i_{2n}}。而 δ(2n)\delta^{(2n)} 则是2n个下标的克罗内克积,当所有下标相等时才等于1,否则为0。

速度矩与权重系数

E(2n)E^{(2n)} 的定义中,若假设所有 eα\boldsymbol{e}_{\alpha} 一样长,可得:

1Mα(eαv)2n=(2n1)!!d(d+2)...(d+2n2)Q2nv2n\frac{1}{M} \sum_{\alpha} (\boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{v})^{2n} = \underbrace{\frac{(2n-1)!!}{d (d+2) ... (d+2n-2)}}_{Q_{2n}} \|\boldsymbol{v}\|^{2n}

对于二维情况 (d=2d=2),则 Q2=1/2Q_2 = 1/2, Q4=3/8Q_4 = 3/8, Q6=5/16Q_6 = 5/16, Q8=35/128Q_8 = 35/128。对于三维情况 (d=3d=3),则 Q2n=1/(2n+1)Q_{2n} = 1 / (2n+1).

同理,拓展到奇数阶,则有:

1Mα(eαv)2n(eαv)=Q2nv2nv\frac{1}{M} \sum_{\alpha} (\boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{v})^{2n} (\boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{v}) = Q_{2n} \|\boldsymbol{v}\|^{2n} \boldsymbol{v}

因此,对于一个所有 eα\boldsymbol{e}_{\alpha} 一样长的离散速度集来说,它的离散速度矩的权重是确定的一个数 —— Q2nQ_{2n}

假如 eα{\boldsymbol{e}_{\alpha}} 中的所有速度并不等长,我们则可以认为:

Ei1i2...in(n)=αω(eα)(eα)i1(eα)i2...(eα)inE_{i_1 i_2 ... i_n}^{(n)} = \sum_{\alpha} \omega(\|\boldsymbol{e}_{\alpha}\|) \cdot (\boldsymbol{e}_{\alpha})_{i_1} (\boldsymbol{e}_{\alpha})_{i_2} ... (\boldsymbol{e}_{\alpha})_{i_n}

其中 ω(eα)\omega(\|\boldsymbol{e}_{\alpha}\|) 指代由特征速度的模 eα\|\boldsymbol{e}_{\alpha}\| 决定的权重系数。

DnQb 模型的确定

Qian等的 DnQb 模型采用如下的平衡态分布:

fαeq(ρ,u;eα,ωα)=ωαρ[1+eαucs2+(eαu)22cs4u22cs2].f^{eq}_{\alpha} (\rho, \boldsymbol{u}; \boldsymbol{e}_{\alpha}, \omega_{\alpha}) = \omega_{\alpha} \rho \cdot \left[ 1 + \frac{\boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{u}}{c_s^2} + \frac{(\boldsymbol{e}_{\alpha} \cdot \boldsymbol{u})^2}{2 c_s^4} - \frac{\|\boldsymbol{u}\|^2}{2 c_s^2} \right].

其中 ρ\rho 为流场密度;u\boldsymbol{u} 为流场速度,cs2=RTc_s^2 = RT。若是为了模拟Navier-Stokes方程,平衡态分布函数需要满足下面的约束:

αfαeq=ρ,αfαeqeα=ρu,αfαeqeαieαj=ρuiuj+pδij.(2-2)\begin{aligned} \sum_{\alpha} f^{eq}_{\alpha} &= \rho ,\\ \sum_{\alpha} f^{eq}_{\alpha} \boldsymbol{e}_{\alpha} &= \rho \boldsymbol{u} ,\\ \sum_{\alpha} f^{eq}_{\alpha} e_{\alpha i} e_{\alpha j} &= \rho u_i u_j + p \delta_{ij}. \end{aligned} \tag{2-2}

在待定系数法的框架下,就是把已经设计好的离散速度集 {eα}\{\boldsymbol{e}_{\alpha}\} 代入上面的约束中,然后求解对应的权重 ωα\omega_{\alpha}

在这种视角下,我们要怎么确定就是要用 D2Q9、D3Q15、D3Q9 这些形式呢?

首先,正四边形最多能保证三阶格子张量是各向同性的,而到了四阶就变成了 Eijkl(4)M=4=2δijklE_{ijkl}^{(4)}|_{M=4} = 2 \delta_{ijkl}。为了解决这个问题,我们可以在在原有最近邻链接基础上,增加更远邻的链接,扩大速度方向集合 {eα}\{\boldsymbol{e}_{\alpha}\}。 而正方晶格加对角线的方式,就构成了典型的 D2Q9 模型:此时速度方向等效于正八边形顶点,当 M=8>4M=8>4 时,E(4)E^{(4)} 满足各向同性条件(MM 不整除4)。

同样的道理,在三维空间中若是使用立方晶格,此时速度方向为立方体顶点(M=8M=8,最近邻链接),对称性较低。E(4)E^{(4)} 也是各向异性的,无法导出标准流体方程。此时也需要把一些对角线方向加进来,让 E(4)E^{(4)} 满足各向同性条件。

Example: 以 D2Q9 为例

首先,我们把 D2Q9 分成三组

组别 速度配置 权重
1 (0,0)(0,0) ω0\omega_0
2 cyc:(±c,0)(\pm c,0) ω1=ω2=ω3=ω4\omega_1=\omega_2=\omega_3=\omega_4
3 (±c,±c)(\pm c,\pm c) ω5=ω6=ω7=ω8\omega_5=\omega_6=\omega_7=\omega_8

对于组别 2,根据格子张量的表格,我们有

α[14]eαi=0,α[14]eαieαj=2δijc2α[14]eαieαjeαk=0,α[14]eαieαjeαkeαl=2δijklc4\begin{aligned} \sum_{\alpha\in[1-4]} e_{\alpha i} &= 0 ,& \sum_{\alpha\in[1-4]} e_{\alpha i} e_{\alpha j} &= 2\delta_{ij} \cdot c^2\\ \sum_{\alpha\in[1-4]} e_{\alpha i} e_{\alpha j} e_{\alpha k} &= 0 ,& \sum_{\alpha\in[1-4]} e_{\alpha i} e_{\alpha j} e_{\alpha k} e_{\alpha l} &= 2\delta_{ijkl} \cdot c^4\\ \end{aligned}

对于组别 3,同理可得

α[58]eαi=0,α[58]eαieαj=2δij(2c)2α[58]eαieαjeαk=0,α[58]eαieαjeαkeαl=(4Δijkl(4)8δijkl(4))(2c)4\begin{aligned} \sum_{\alpha\in[5-8]} e_{\alpha i} &= 0 ,& \sum_{\alpha\in[5-8]} e_{\alpha i} e_{\alpha j} &= 2\delta_{ij} \cdot (\sqrt{2} c)^2\\ \sum_{\alpha\in[5-8]} e_{\alpha i} e_{\alpha j} e_{\alpha k} &= 0 ,& \sum_{\alpha\in[5-8]} e_{\alpha i} e_{\alpha j} e_{\alpha k} e_{\alpha l} &= (4 \Delta^{(4)}_{ijkl} - 8 \delta^{(4)}_{ijkl}) \cdot (\sqrt{2} c)^4\\ \end{aligned}

代入式(2-2),依次得:

ρ(ω0+4ω1+4ω5)+ρu2[ω1(c2cs42cs2)+ω5(2c2cs42cs2)ω02cs2]=ρ(2-3)\rho (\omega_0 + 4 \omega_1 + 4 \omega_5) + \rho \|\boldsymbol{u}\|^2 \left[ \omega_1 \left(\frac{c^2}{c_s^4} - \frac{2}{c_s^2}\right) \right.\\ \left. + \omega_5 \left(\frac{2 c^2}{c_s^4} - \frac{2}{c_s^2}\right) - \frac{\omega_0}{2 c_s^2} \right] = \rho \tag{2-3}

ρu(ω12c2cs2+ω54c2cs2)=ρu(2-4)\rho \boldsymbol{u} \left( \omega_1 \frac{2 c^2}{c_s^2} + \omega_5 \frac{4 c^2}{c_s^2} \right) = \rho \boldsymbol{u} \tag{2-4}

ρω1α=14[eαieαj(1u22cs2)+eαieαjeαkeαlukul2cs4]+ρω5α=58[eαieαj(1u22cs2)+eαieαjeαkeαlukul2cs4]=ρuiuj+pδij(2-5)\begin{aligned} \rho \omega_1 \sum_{\alpha=1}^{4} \left[ e_{\alpha i} e_{\alpha j} \left(1 - \frac{u^2}{2 c_s^2}\right) + \frac{e_{\alpha i} e_{\alpha j} e_{\alpha k} e_{\alpha l} u_k u_l}{2 c_s^4} \right] &+ \\ \rho \omega_5 \sum_{\alpha=5}^{8} \left[ e_{\alpha i} e_{\alpha j} \left(1 - \frac{u^2}{2 c_s^2}\right) + \frac{e_{\alpha i} e_{\alpha j} e_{\alpha k} e_{\alpha l} u_k u_l}{2 c_s^4} \right] &= \rho u_i u_j + p \delta_{ij} \end{aligned} \tag{2-5}

由式(2-3),得:

ω0+4ω1+4ω5=1ω1(c2cs42cs2)+ω2(2c2cs42cs2)ω02cs2=0\omega_0 + 4 \omega_1 + 4 \omega_5 = 1 \\ \omega_1 \left(\frac{c^2}{c_s^4} - \frac{2}{c_s^2}\right) + \omega_2 \left(\frac{2 c^2}{c_s^4} - \frac{2}{c_s^2}\right) - \frac{\omega_0}{2 c_s^2} = 0

由式(2-4),得:

(ω1+2ω5)2c2cs2=1(\omega_1 + 2 \omega_5) \frac{2 c^2}{c_s^2} =1

式(2-5)需要用到如下化简:

Δijkl(4)ukul=δij(δklukul)+(δikδjlukul)+(δilδjkukul)=δiju2+2uiuj\begin{aligned} \Delta^{(4)}_{ijkl} u_{k} u_{l} &= \delta_{ij} (\delta_{kl} u_{k} u_{l}) + (\delta_{ik}\delta_{jl}u_{k} u_{l}) + (\delta_{il}\delta_{jk} u_{k} u_{l}) \\ &=\delta_{ij} \|\boldsymbol{u}\|^2 + 2 u_i u_j \end{aligned}

其中:

  • 第一项仅当 k=lk=l 时不为0。因此 δklukul=k=lukul=kukuk=u2\delta_{kl} u_k u_l = \sum_{k=l} u_k u_l = \sum_{k} u_k u_k = \|\boldsymbol{u}\|^2
  • 第二项 δik\delta_{ik} 要求 k=ik=i 时才非零,δjl\delta_{jl} 要求 l=jl=j 时才非零。因此对 k,lk,l 求和时,只有 k=ik=il=jl=j 的项保留,即 uiuju_i u_j
  • 第三项 δil\delta_{il} 要求 l=il=iδjk\delta_{jk} 要求 k=jk=j。因此只有 l=il=ik=jk=j 的项保留,即 uiuju_i u_j

由于式(2-5)的左侧可被简化为

(ω14ω5)c4cs4ρδijklukul+ρc2δij[(1u22cs2)(2ω1+4ω5)+2ω5u2c2cs4]+ρuiujw54c2cs4(2-6)\begin{aligned} (\omega_1 - 4 \omega_5) \frac{c^4}{c_s^4} \rho \delta_{ijkl} u_k u_l &+ \rho c^2 \delta_{ij} \left[ (1 - \frac{\|\boldsymbol{u}\|^2}{2 c_s^2}) (2\omega_1 + 4\omega_5) \right. \\ &\left. + 2 \omega_5 \frac{\|\boldsymbol{u}\|^2 c^2}{c_s^4} \right] + \rho u_i u_j w_5 \frac{4 c^2}{c_s^4} \tag{2-6} \end{aligned}

所以

w54c2cs4=1ω14ω5=0(1u22cs2)(2ω1+4ω5)+2ω5u2c2cs4=pρc2\begin{aligned} w_5 \frac{4 c^2}{c_s^4} &= 1 \\ \omega_1 - 4 \omega_5 &= 0 \\ \left(1 - \frac{\|\boldsymbol{u}\|^2}{2 c_s^2}\right) (2\omega_1 + 4\omega_5) + 2 \omega_5 \frac{\|\boldsymbol{u}\|^2 c^2}{c_s^4} &= \frac{p}{\rho c^2} \end{aligned}

联立这些方程就可以解得: ω0=4/9\omega_0 = 4/9, ω1=1/9\omega_1 = 1/9, ω5=1/36\omega_5 = 1/36, cs=c/3c_s = c / \sqrt{3}

附录

(1)对于二维正M边形网格,eα=e(cos(2παM),sin(2παM))\boldsymbol{e}_{\alpha} = e \left( \cos(\frac{2\pi\alpha}{M}), \sin(\frac{2\pi\alpha}{M})\right)。此时阶数 nnMM 的对应关系为:

各向同性张量 E(n)E^{(n)} 正多边形边数 MM
E(2)E^{(2)} M>2M \gt 2
E(3)E^{(3)} M2,M3M \ge 2, M \neq 3
E(4)E^{(4)} M>2,M4M \gt 2, M \neq 4
E(5)E^{(5)} M2,M[3,5]M \ge 2, M \neq [3,5]
E(6)E^{(6)} M>4,M6M \gt 4, M \neq 6
E(7)E^{(7)} M2,M[3,5,7]M \ge 2, M \neq [3,5,7]

(2)文献[2]给出了三维情况下 E(n)E^{(n)} 的各向同性情况,下表用 Y 和 N 分别表示是和否。其中 cyc 表示循环排列, ϕ=(1+5)/2\phi=(1+\sqrt{5})/2

几何形状 速度配置 M E(2)E^{(2)} E(3)E^{(3)} E(4)E^{(4)} E(5)E^{(5)} E(6)E^{(6)}
四面体 (1,1,1)(1,1,1), cyc:(1,1,1)(1,-1,-1) 4 Y N N N N
立方体 cyc:(±1,±1,±1)(\pm 1,\pm 1,\pm 1) 8 Y Y N Y N
八面体 cyc:(±1,0,0)(\pm 1,0,0) 6 Y Y N Y N
十二面体 (±1,±1,±1)(\pm 1,\pm 1,\pm 1), cyc: (0,±ϕ1,±ϕ)(0, \pm \phi-1, \pm \phi) 20 Y Y Y Y N
二十面体 cyc: (0,±ϕ,±1)(0, \pm \phi, \pm 1) 12 Y Y Y Y N

(3)两种基本正方形格子模型的偶数阶张量

速度配置 M E(2)E^{(2)} E(4)E^{(4)} E(6)E^{(6)}
cyc:(±1,0)(\pm 1,0) 4 2δ(2)2 \delta^{(2)} 2δ(4)2 \delta^{(4)} 2δ(6)2 \delta^{(6)}
(±1,±1)(\pm 1,\pm 1) 8 4δ(2)4 \delta^{(2)} 4Δ(4)8δ(4)4 \Delta^{(4)} - 8 \delta^{(4)} 43Δ(6)16δ(6)\frac{4}{3} \Delta^{(6)} - 16 \delta^{(6)}

(4)几种最对称的三维Bravais晶格的偶数阶张量

形状 速度配置 M E(2)E^{(2)} E(4)E^{(4)} E(6)E^{(6)}
Primitive cubic cyc:(±1,0,0)(\pm 1,0,0) 6 2δ(2)2 \delta^{(2)} 2δ(4)2 \delta^{(4)} 2δ(6)2 \delta^{(6)}
Body-centered cubic (±1,±1,±1)(\pm 1,\pm 1,\pm 1) 8 8δ(2)8 \delta^{(2)} 8(Δ(4)2δ(4))8 (\Delta^{(4)} - 2\delta^{(4)}) 8(Δ(6)2Δ(4,2)+16δ(6))8 (\Delta^{(6)} - 2 \Delta^{(4,2)} + 16\delta^{(6)})
Face-centered cubic cyc:(±1,±1,0)(\pm 1,\pm 1,0) 12 8δ(2)8 \delta^{(2)} 4(Δ(4)δ(4))4 (\Delta^{(4)} - \delta^{(4)}) 4(Δ(4,2)+13δ(6))4 (\Delta^{(4,2)} + 13\delta^{(6)})

在文献[2]的原话中:

Δ(n,m)\Delta^{(n,m)} is the sum of all possible products of pairs of Kronecker delta symbols with nn and mm indices。

具体到 Δ(4,2)=Δijklmn(4,2)\Delta^{(4,2)} = \Delta^{(4,2)}_{ijklmn} ,它应该是 C62=15\mathrm{C}_{6}^{2} = 15 个项的和。打个比方:第1个项是 δijΔklmn(4)\delta_{ij}\Delta^{(4)}_{klmn};第2个项是 δikΔjlmn(4)\delta_{ik}\Delta^{(4)}_{jlmn};后续依次类推,直到把15个组合都轮换出来,然后求和。

参考

[1] HE X, LUO L S. Theory of the lattice Boltzmann method: From the Boltzmann equation to the lattice Boltzmann equation[J]. Physical Review E, 1997, 56(6): 6811-6817. DOI:10.1103/PhysRevE.56.6811.
[2] WOLFRAM S. Cellular automaton fluids 1: Basic theory[J]. Journal of Statistical Physics, 1986, 45(3-4): 471-526. DOI:10.1007/BF01021083.
[3] 何雅玲, 王勇, 李庆, 童自翔. 格子Boltzmann方法的理论及应用[M]. 1 版. 北京: 高等教育出版社, 2023.