稳态玻尔兹曼方程的高性能数值矩方法与应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11601229
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    18.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

The non-Maxwellian steady-state solution of the Boltzmann equation has a special significance, not only that it helps to better understand the Boltzmann equation as well as the kinetic theory, but also itself has wide range of applications in a number of high-tech fields such as rarefied gas dynamics, microflows, and semiconductor devices. Since the analytical solution is generally unavailable, numerical solutions are highly needed. However, due to the complexity of the Boltzmann equation, numerical solution is very challenging, especially for the steady-state solution, which is usually achieved after a long time simulation. Numerical moment method is one of the important numerical methods for the Boltzmann equation. It integrates the computable modeling and the numerical algorithm of kinetic problems into a uniform numerical framework, which makes it become attractive to use the high-order moment models in practical applications. Motivated by these, this project is concentrated on the development and applications of high-performance numerical moment method for the steady-state solution, directly from the steady-state Boltzmann equation. Specifically, the research of this project will involve the following aspects. Multilevel iterative methods, using acceleration techniques such as the coarse grid correction and the lower-order model correction, will be developed to improve the convergence rate. Adaptive methods including adaptive mesh and adaptive moment model will also be investigated to improve the efficiency by reducing the redundant degrees of freedom. Combining these two methods together, a comprehensively efficient and robust numerical moment method will then be developed. This project will certainly improve the ability of the numerical moment method to solve practical problems, and promote large-scale applications of numerical moment method in the related high-tech fields.
玻尔兹曼方程的非麦克斯韦稳态解在稀薄气体动力学、微流、半导体器件电子输运等众多高科技领域均有重要的应用。由于玻尔兹曼方程自身的复杂性,其非麦克斯韦稳态解难以通过解析方式获得,而高效的数值求解也面临着巨大的挑战。数值矩方法是求解玻尔兹曼方程的重要数值方法之一,它将动理学问题的可计算建模与数值算法有效融合起来,为高阶矩模型的实际应用打下了良好的基础。本项目将直接从稳态玻尔兹曼方程出发,研究粗网格校正和低阶模型校正等加速收敛技术,发展具有高收敛性的多水平迭代数值矩方法;研究网格自适应和模型自适应等技术,发展既能有效减少自由度总数又不失精度要求的自适应数值矩方法;结合上述两种方法,为玻尔兹曼方程的稳态解发展综合性的高效而稳健的数值矩方法。通过本项目的研究,将显著提高数值矩方法求解实际问题的能力,推动其在前述诸多领域中的大规模应用。

结项摘要

动理学理论是介于流体力学和分子动力学之间,以统计物理方法研究微观粒子运动状态的理论,在稀薄气体动力学、微流、半导体器件、等离子体等众多高科技领域有着重要应用。玻尔兹曼方程是其中最基本的动理学方程,它的求解方法不仅具有重要的理论价值,也具有重要的实际应用价值。然而玻尔兹曼方程自身的复杂性,使其高效的数值求解面临着巨大的挑战。本项目致力于研究和发展求解玻尔兹曼方程及其相关动理学模型的数值矩方法,特别是发展稳态问题的高效而稳健的数值矩方法。具体地,项目发展和完善了低阶模型校正加速收敛技术,提出了基于该技术和数值矩方法一般框架的、稳态高阶模型的非线性多水平迭代新方法;发展了基于空间粗网格校正加速收敛技术的非线性多重网格方法,提出了稳态模型的非线性多重网格新方法,并推广应用于具有二元碰撞的原始玻尔兹曼方程的数值求解;发展了一个基于区域分解的移动网格方法和一个简单有效的二维移动网格方法,并在移动热源的热传导现象的数值模拟中得到应用;针对具有二元碰撞的原始玻尔兹曼方程,研究了数值矩方法在该模型中的推广应用与高效数值方法的发展,提出了保持Maxwellian的碰撞项计算方法。项目取得的上述研究成果,以及持续研究开发的、具有统一框架和接口的算法程序,显著提高了数值矩方法求解实际问题的能力,为推动其在各个重要领域中的实际应用提供了有力的理论指导和技术支持。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
An efficient steady-state solver for microflows with high-order moment model
一种高效的高阶矩模型微流稳态求解器
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2019.04.050
  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
    Journal of Computational Physics
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Zhicheng Hu;Guanghui Hu
  • 通讯作者:
    Guanghui Hu
Numerical Investigation of Heat Conduction with Multiple Moving Heat Sources
多个移动热源热传导的数值研究
  • DOI:
    10.3390/sym10120673
  • 发表时间:
    2018-11
  • 期刊:
    Symmetry
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhicheng Hu
  • 通讯作者:
    Zhicheng Hu

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其他文献

伊伐布雷定治疗老年心力衰竭患者的疗效观察
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    中华老年医学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱海燕;黄觊;胡志成;周政;蒋萍;李志忠
  • 通讯作者:
    李志忠
深度烧伤创面削痂后植皮结合自体细胞再生技术治疗的临床研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中华生物医学工程杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡志成;张逸;唐冰;王鹏;黄韶斌;董云先;徐海琳;温日妮;荣燕超;朱家源
  • 通讯作者:
    朱家源
伊伐布雷定对老年慢性心力衰竭患者的疗效及其对胱抑素C的影响
  • DOI:
    10.3969/j.issn.1671-6450.2017.06.002
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    疑难病杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄觊;钱海燕;胡志成;李志忠;李南
  • 通讯作者:
    李南
基于边缘连续性的边缘检测算法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    数据采集与处理
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡志成;李宏伟;付丽华
  • 通讯作者:
    付丽华
抗心律失常药物对肺静脉传导恢复相关心房扑动二次消融术后早期复发的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    中国循环杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡志成;郑黎晖;赵明昊;吴灵敏;丁立刚;姚焰
  • 通讯作者:
    姚焰

其他文献

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胡志成的其他基金

基于矩展开求解玻尔兹曼方程的高效数值方法及其应用研究
  • 批准号:
    12171240
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    51 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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