שיטת Lattice Boltzmann עבור יישומי Cfd

מבוא לשיטת Lattice Boltzmann עבור יישומי CFD

דינמיקת נוזל Computational (CFD) כבר מזמן התבססה על פתרון משוואות Navier-Stokes באמצעות נפח סופי, אלמנט סופי, או שיטות הבדל סופיות. עם זאת, שיטה חלופית אחת צברה מערכת יחסים משמעותית בשלושה העשורים האחרונים: Lattice Boltzmann (LBM) בניגוד לגישות מסורתיות שמבטלות את חוקי השימור המקרוסקופיים, LBM פועל ברמה מסוימת של מקבילה, במיוחד, כאשר תכונות מטבוליות מורכבות של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום גיאוגרפי.

LBM הוא לא רק טכניקת נישה; הוא הפך כלי מרכזי במחקר אקדמי והנדסה תעשייתית כאחד.ממפשט זרימת דם בעורקים ספציפיים לחולה מודלים של כורים כימיים ארוזים עם מדיה ⁇ , LBM מספק מסגרת גמישה ויעילה חישובית. מאמר זה מספק מבוא מקיף ל-LBM, המכסה את עקרונות הליבה שלה, יתרונות מרכזיים, יישומים משותפים, ושיקולים מעשיים.

מהי שיטת ה-Lattice Boltzmann?

בלבו, LBM היא גישה חישובית הנגזרת ממשוואה בולצמן, משוואה קינטית המתארת את האבולוציה של תפקוד התפלגות חלקיקים בחלל שלב.השיטה מטשטשת הן חלל והן מהחלל המהיר, ויוצרת מנוף קבוע של צמתים ומערך סופי של כיוונים מהירים.בכל אחד מהם, הפונקציה ההפצה מיוצגת על ידי קבוצה של מספרים אמיתיים, כל אחד מתאים להסתברות של מציאת חלקיקים נעים ברגעים ספציפיים, כלומר, עם תכונות מהירות, אז, כמו גם כן, כלומר, כלומר, כמו גם תכונות ספציפיות, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, מאקרו.

האלגוריתם LBM משתנה בין שני שלבים:0colisionFLT:1 ו-FLT:2streamingsFLT 3: במהלך שלב ההתנגשות, ההתפלגות פועלת בכל צומת להירגע לקראת חלוקת שיווי משקל מקומית, תהליך שמדגים את ההשפעה של התנגשות מולקולרית.

מקור זה הוא מה שממבדיל את LBM משיטות CFD קלאסיות. במקום לפירוק משוואות שונות חלקית חלקית עבור משתנים מקרוסקופיים, LBM מתפתח משוואה קינטית פשוטה יותר מקומית.מקומית זו הופכת את LBM באופן יוצא דופן למקבילה - כל עצלות לא ניתן לעדכן באופן עצמאי במהלך ההתנגשות, ואת הצעד הזה כרוך רק בנתונים הקרובים ביותר.

התפתחות היסטורית

השורשים של LBM יכולים להיות במעקב בחזרה לדגמי הגז של לקטמטה (LGCA) של שנות ה-80.מודלים גזי ליטיצ'ה המוקדמים השתמשו במשתנים של Booleans (Particle כבוש או ריק) וכללי התנגשות פשוטים, אך הם סבלו מרעש סטטיסטי וחסרו את גליון גליקט (LceKon-Hicer) לאחר הצגת פונקציות אמיתיות ו-Bnahatros-Gar) אשר הובילו את ה-Ker (המופעל-Ker-Dán) כ-Dánr-Dánr-Ricer) ו-Dánbnbnbnbnbnbner (המוכרים מודרניים, אשר הוביל כיום, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, אשר הוביל את ה-Kykánbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnbnb

מאז, השיטה עברה זיכוך מתמשך.חוקרים פיתחו מודלים התנגשות משופרים (למשל, זמן הירגעות מרובות (MRT) ו- Cscaded LBM), הרחבות ל- Multiphase וזרמים תרמיים, וטיפולים במצב הגבול המסוגלים לטפל בקירות מעוקלים ואינטראקציות משטח מורכבות.היום, LBM מוכר ככלי CFD בוגר עם בסיס תאורטי עשיר ולהגדיל את מערכת אקולוגית של תוכנות קוד פתוח וחבילות מסחריות.

המונחים: LBM

כדי להבין את LBM, יש להבין כמה מושגים קשורים: מבנה אטיצ'ה, פונקציות הפצה, מפעילי התנגשות ותנאי גבול.

מבנה הצמיגים והוולעירות

(ה) סימולציה היא חיקוי ל- lattice node רגיל, כל צומת lattice מחובר לשכניו על ידי מערכת של מהירות וקטורות המהירות הנפוצה ביותר נקבע על ידי DIRFLT:0nFLT 1QFLT:2mFLT 3, 2K3 LIFLT 3, כאשר משוואות זיכרון מהירויות גבוהות יותר (DLC) הן מספר 1D2K3.

פונקציות הפצה

בכל צומת אטיצ'ה, קבוצה של פונקציות הפצה fFearLT:0 (iFillo:1(x,t) מאוחסנים, שם אני מנטר את ההוראות המהירות.פונקציות אלה מייצגות את צפיפות ההסתברות של מציאת חלקיקים נעים עם מהירות chilFLT:2iFLT 3:2iFLT 3 במיקומים x ו- t. Macroscopic כמויות מופצלות מ: רגעים:

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד:2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

קולקציה וסטרימינג

האבולוציה של המערכת נשלטת על ידי משוואה ה- lattice Boltzmann:

(ב) ויקרא י"ד): "וַיְהִיא רָאוּ הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא

הצד הימני מייצג את מפעיל ההתנגשות, בדרך כלל את מודל BGK יחיד-relaxation-Time (SRT) אשר מרגיע כל הפצה לעבר ערך שיווי המשקל שלה fcioFLT:0iBuildFLT:1FLT:2eqreaFLT 3 עם זמן laxol.

(ב) ויקרא י"ד): "וַיְהִיא רָאוּ הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא"אֱלֹהִים"ב הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא

כאן כרך 1:0 (iigmFLT:1) הם גורמי משקל בהתאם למודל הנקה.זמן ההרגעה ⁇ קשורה ישירות לתנודות kinematic = cirFLT:2sFLT 32sFLT 32( ⁇ - 0.5) כלומר, על ידי בחירת ⁇ , המשתמש קובע את מספר ריינולדס של נוזל.

תנאים

אחת מנקודות החוזק של LBM היא הפשטות של יישום תנאי הגבול.סוגים נפוצים כוללים:

• (FLT:0)Bounce-back:FLT:1 עבור קירות ללא שפל, פונקציות הפצה נכנסות פשוט משתקפות בחזרה.זה מוחל בקלות אפילו על גיאוגרפיות מורכבות (למשל, מדיה ⁇ ).
• (FLT:0) וריאציות או אי-הלחץ: FIRLT:1) ניתן לאכוף את המהירות או צפיפות קדם-המדכאת באמצעות שיטת Zou-He או תוספת שיווי משקל.
• (ב) ⁇ :0) גבולות של נפתלי: 1FLT:1 עטוף פשוט של התחום, אידיאלי עבור זרמי הומוגני.
• (FLT:0) גבולות: FLT:1Buildd טיפולים מדויקים יותר, כגון ה-Crune-back המבוסס על האינטרפולציה על ידי בוזיי et al, מאפשר טיפול בצורות קיר שרירותיות ללא שגיאות מדרגות.

נכון, תנאי הגבול האלה שומרים על הדיוק השני של LBM בחלל.

היתרונות של LBM ב-CFD

שיטת Lattice Boltzmann מציעה מספר יתרונות משכנעים על ידי אנליסטים קונבנציונליים של Navier-Stokes:

גמישות גיאומטרית

מכיוון ש-LBM משתמש ברשת קרטסיאנית קבועה, ניתן לייצג את ה-CDCmetries המורכבת באמצעות טכניקת ה-Crence-backback.זהו התאמה טבעית לתחומים לא סדירים ביותר, כגון ⁇ Media, מסנני פיבר או רשתות פולשניות.בעוד שדור mesh מסורתי בגוף יכול להיות קבוע לאורך זמן וטעון שגיאות, LBM לעתים קרובות דורש רק ייצוג גאוקסי של הייצוג רפואי אטרקטיבי, אשר ניתן להשיג תמונות רפואיות אטרקטיביות במיוחד.

המונחים: Scalability

שלב ההתנגשות הוא מקומי לחלוטין – כל צומת תלוי רק בפונקציות ההפצה שלו – וצעד הזרמה כרוך רק בתקשורת הקרובה-neighbor.מבנה זה מפות כמעט לחלוטין על ארכיטקטורות מבוזרות (MPI) ו- GPUs. כמה קוד פתוח קוד LBM הוכיחו את הפחתת הדרגה כמעט אידיאלית על אלפי ליבות.

Multiphase ו- Multicomponent Flows

LBM באופן טבעי מתאים שלבים מרובים או רכיבים על ידי הצגת פונקציות הפצה נוספות עבור כל מין או עבור פרמטר הזמנה.השן-Chen (pseudo-potential) מודל, גישה לאנרגיה חופשית, ואת שיטת Color- ⁇ הם כולם בשימוש נרחב כדי לדמות דינמיקה ירידה, בועה, בועה, מילוי, וסימולציות מיקרו-אפקטיביות אלה משלבים כוחות התנגשות באופן ישיר של תאים סימולציה סימולציה ויזואלית-מיטיבית-מילא-מחדשנית-מילא-מחדשנית-מחדשנית-מילא-מילא-מחדשנית-מילא-מחדשנית-מילא-מחדשה, ללא שימושית של שיטות מדידה-מחדשנית-מחדשנית-מיידית-מחדשנית-מיית-אפקטית', ללא שימושית', ללא יכולת מעקב באופן ישיר של שיטות מדידה-אפקטית', ללא יכולת מעקב באופן ישיר של שיטות מדידה-מחדשנית-אפקטיביות-אפקטיביות-מחדש-מחדש-אפקטיביות-מחדש-מחדש-אפקטיביות-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-אפקטי-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-אפקט

הפיזיקה הטרנסנדנדת ואלגורימית קלרנס

אלגוריתם LBM הוא פשוט מבחינה קונספטואלית: התנגשות, זרימה, תנאי גבול, משתנים מאקרוסקופיים תואמים, חוזר על כך.קוד המקור הוא לעתים קרובות קומפקטי וקל לשנות, מה שהופך את LBM מועדף למטרות חינוכיות ו prototyping מהיר. בניגוד קודים סופיים או סופיים, LBM אינו דורש מזחלות ספאריות או פתרון מערכות לינאריות גדולות - האלגוריתם המפורש, כאשר הוא זמני מכוומזם טהור, כאשר הוא רק מכושף, כאשר הוא זמן.

אפשרויות לCompressible and Low-Speed Flows

בעוד LBM בצורתו הסטנדרטית מחלימה את המשוואות הדחיסות החלשות של Navier-Stokes (נמוך מספר מאך נמוך), ניתן להרחיב אותן לזרמים תרמיים ולמשטרים דחוסים באמצעות מודלים כמו הגישה הכפולה-תפקודית.עבור זרמים בלתי-מכאים או כמעט בלתי-צפויים (Mach <; 0.3), LBM הוא יעיל מאוד, הימנעות מבעיות הפיכה של לחץ-מחסוריות ששיטות שבריריות.

גבולות LBM

No method is universal, and LBM has its own set of challenges:

• (FLT:0)Uniform Grid Restriction: ההרחבה 1 ( Standard LBM) מסתמכת על מנוף קרטסיאן קבוע, בעוד שטכניקות הזיכוך ברשת מקומיות קיימות, הן מורכבות יותר מאשר בשיטות שאינן מובנות ללא רזולוציה גבוהה דורשות רשתות גלובליות יפות במידה שווה אלא אם כן יש צורך בהזכוך מדבק (AMR) הוא אשר מגביר את המורכבות.
• (FLT:0) מזכר טביעת רגל: 1FLT:1 LBM מאחסן מספר פונקציות הפצה עבור Node (למשל, 19 עבור D3Q19) ב 3D, זה מוביל לביקוש זיכרון גדול - לעתים קרובות 10–20 פעמים יותר מאשר קוד CFD מסורתי עבור אותו מספר תאים.
• (FLT:0)Viscosity Range:FLT:1, זמן ההרגעה חייב להישאר בין 0.5 ל-5 כדי להימנע מחוסר יציבות מספרית או שגיאות משמעותיות בקוצר רוח גבוה.זה מגביל את טווח המספרים של ריינולדס שניתן לדמות במדויק ללא זיכוך רשת או מודלים מתקדמים של זעזועים.
• (FLT:0) חומרים מדכאים ומהירות גבוהה: ההרחבה LBM אינה מטפלת בזרמים סופר-סטוניים או היפרוזיניים ישירות.בעוד שהרחבות קיימות, הן פחות בוגרות ודורשות שינויים משמעותיים.
• (FLT:0) ניגודיות המצב הרציני: FIRLT:1 , פשוט קפץ לאחור מניב רק דיוק סדר ראשון לגבולות מעוקלים אלא אם כן טיפולים מתקדמים זמינים אך מוסיפים מורכבות ועלויות.

תגיות LBM

הגמישות של LBM הובילה לאימוץ שלה על פני מגוון רחב של דיסציפלינות. להלן הם כמה אזורי יישום בולטים, כל אחד עם דוגמאות מרשימות.

מדיה ירוקה וגיאו-מדעים

LBM הוא ככל הנראה השיטה הפופולרית ביותר של CFD עבור סימולציות בקנה מידה .היכולת לרוץ קפיצה על תמונות מבוזרות של סלעים, אדמה, או חרוזים ארוזים עושה את זה אידיאלי עבור מחשוב חדירות, tortuosity, ו multiphase יחסי permeability. חברות בתעשיית הנפט והגז להשתמש LBM עבור פיזיקה דיגיטלית, להחליף ניסויים ליבת יקר לפחמי תחבורה.

הנדסה ביולוגית

סימולציות דם ספציפיות לחולה הן יישום מפתח.נתוני הדמיה רפואית (CT, MRI) ניתן להמיר ישירות לתוך מנוף של voxels, ו-LBM במהירות מצמידים קיר Shear מתח וחלוקות לחץ בעורקים, אנטים, ו anneurysms. LBM משמש גם כדי מודל זרימת אוויר במערכת האנושית, חלקיק deposition in theרי, ריאות והתנהגות של תאים מיקרו-שחית בדם.

דוגמה לכך היא העבודה של קבוצת המחקר של אוניברסיטת ז'נבה, שזוגות LBM עם אינטראקציה מבנית נוזלית כדי ללמוד דינמיקת תאי דם אדומים.

מיקרודיקליקה ומעבדה-on-a-Chip

מכשירים מיקרו-השפעהיים לעתים קרובות מעורבים בתקשור מורכב, דור הטיפה, ושילוב של נוזלים מרובים. דגמי ה- LBM של Multiphase יכול לדמות פירוק טיפות וסחרור עם דיוק טוב.השיטה משמשת גם לתכנון micromixers, משאבות אלקטרוקיות, ו dielectrophorators אלקטרו-sources (Fallows) כולל micromixsic.

המונחים: environmental and Industrial Fluid Mechanics

LBM משמש מודל של פיזור מזוהההה בתותחים עירוניים, אווירודינמיקה של רכבות ומכוניות (באמצעות מודלים סוערים כמו Smagorinsky או דינמי Smagorinsky), וזורם בכורים כימיים.השיטה יכולה לשמש גם לזרמים ללא הגבלת ביטחון חופשי כגון דינמיקת גל, אם כי טיפולים מיוחדים נדרשים עבור פני השטח החופשי עצמו.

סימולציות Turbulence Simulations

LBM משמש יותר ויותר עבור סימולציות גדולות (שכבות) של זרמים סוערים.היישום הפשוט של מודלים תת-ממדיים (כמו מודל Smagorinsky, מותאם ל-LBM על ידי התאמת ⁇ מקומית) אפשר לחוקרים ללמוד מיילדות-body aeroדינמיקה, זרימת ערוצים, ומטוסים.

השוואה עם שיטות מסורתיות CFD

מסורתית Navier-Stokes פותרים (נפח פיננסי, אלמנט סופי, ספקטרלי) הם סוסי העבודה של חבילות CFD מסחריות כגון ANSYSent, OpenFOAM, ו- STAR-CCM+. הם מציעים עשרות שנים של פיתוח, מגוון עצום של מודלים (טראומתיות, קרינה, בעירה), וסיוע חזק לינארי.

Feature	Traditional CFD	Lattice Boltzmann Method
Mesh generation	Complex, often manual; highly geometry-dependent	Simple cubic grid; geometry from voxels
Parallelization	Requires domain decomposition; communication overhead varies	Excellent scalability; minimal communication
Implementation complexity	Moderate to high; nonlinear solvers, pressure coupling	Low to moderate; explicit scheme, no matrices
Memory per node	Low (few variables)	High (multiple distribution functions)
Multiphase flows	Complex interface tracking/capturing	Natural via pseudo-potential or free-energy models
High Mach number	Well-established	Limited; requires extensions

בפועל, הבחירה בין LBM לבין CFD המסורתית תלויה בבעיה הספציפית.עבור גממות מורכבות עם צרכים של פתרון אחיד ( ⁇ Media, microfluidics), LBM הוא לעתים קרובות מהיר וקל יותר.עבור בעיות הדורשות דיוק מסדר גבוה על גבולות חלקים (כנפיים אוויריות, טורבינות), ללא מובנים N-Stokes פותרים נשאר יותר בוגר.

המונחים

מסגרת תוכנה

כמה קודים בקוד פתוח באיכות גבוהה זמינים, הורדת המחסום לכניסה:

• (FLT:0) OpenLBoriFLT:1 (Open Lattice Boltzmann): ספריית C++ בעלת תבנית גבוהה התומכת ב-2D/3D, מודלים לרטיצ'ים רבים, תנאים שונים של גבולות, ומבנה מודולרי.
• (FLT:0)פאלווסטוFLT:1: ספריית C++ עם ממשק Python כולל מודלים רב-phase, אינטראקציה מבנית נוזלית ותמיכה GPU.
• (FLT:0)LBM ב GPUFLT:1: יישום קוד פתוח רבים ב CUDA ו- OpenCL קיימים, לעתים קרובות מותאם למחשוב בעל ביצועים גבוהים.
• אפשרויות מסחריות: XFlow (Dassault Systèmes), PowerFLOW (Dassault), ואחרים משלבים את LBM לסביבות סימולציה תעשייתיות.

חומרה וביצועים

LBM הוא אלגוריתם של זיכרון על CPUs: הביצועים שלה לעתים קרובות מוגבל על ידי רוחב פס זיכרון ולא פעולות נקודת צף. על GPUs, המצב משתפר בגלל רוחב פס גבוה ומספרים גדולים של ליבות. ביצועים טובים של השגת ביצועים טובים דורש תכנון גרעין זהיר - מכירה גישה זיכרון מבוזרת (למשל, באמצעות מבנה של Arrays (So) והימנעות מפעילות אטומית רבים.

אימות ואימות

כמו בכל שיטת CFD, אימות כי קוד LBM מייצר תוצאות נכונות עבור מקרים ידועים הוא חיוני. אנליטי אימות קלאסי כוללים זרימה Poiseuille (פרופיל כפול), זרימת חלל מונעת ליד, לזרום מעבר cylinder (מספר סטרופיל וגרור coefficient), ואת סלילת טיילור גרין.

כיוונים עתידיים

LBM ממשיך להתפתח.הדחף למחקר מפתח כולל:

• (FLT:0) ,AMRIRL (AMRIRLT) 1 טכניקות לשמור על רזולוציה מקומית גבוהה רק במידת הצורך, צמצום עלויות הזיכרון.
• (FLT:0) אינטגרציה למידה של Machine Learning:FLT:1 , רשתות נילי משמשים להחליף מפעילי התנגשות או להאיץ את ההתכנסות לבעיות יציבות של המדינה.
• (FLT:0) Fluid-Structure Interaction (FSIOVA): FLT 1 Coupling LBM עם מפתח סופי עבור גופים גמישים (למשל, כנפיים מתפתלות, שסתום לב) הוא שדה פעיל, באמצעות גבול או שיטות עונש.
• (FLT:0) לא-ניוטונין ו-Waloela Flows:FLT:1 מרחיבים את חוק-הכוח, Bingham, ונוזלים מולקוליים (Oldroyd-B, FENE-P) מפותחים, אם כי הם אינטנסיביים יותר חישובית.
• (FLT:0)Quantum Computing:FLT:1 כי LBM מבוסס על מפעיל ליניארי (קולסיון וסטרימינג), זה מועמד לאלגוריתמים קוונטיים, אם כי יישומים מעשיים עדיין רחוקים.

מסקנה

שיטת Lattice Boltzmann היא אלטרנטיבה חזקה ל- Navier-Stokes פתורים מסורתיים, המציע גמישות גיאומטרית יוצאת דופן, דרוגיות טבעית, ו-Lea אלגוריתם פשוט יכולתה להתמודד עם גבולות מורכבים, זרימת רב-phase, וממשקים נעים עם קלות יחסית הפכו אותו כלי של בחירה ב- ⁇ מדיה, סימולציה ביו-רפואית ומיקרו-אפקטית.

עבור כל מי שממציא לתוך דינמיקת נוזל חישובית, למידה LBM מספק נקודת מבט חדשה על סימולטור נוזלים.עם מערכת אקולוגית קוד פתוח בוגרת וקהילת מחקר פעילה, השיטה נגישה כעת מהנדסים, מדענים, ותחביבים כאחד. בין אם אתה מודל של זרימת הדם באמצעות סטנוזה או עקירת שמן בפוד רוק, LMB מציעה מסגרת אינטואיטיבית, ביצועים חזקים, ומבצעת מסגרת.