格子玻尔兹曼方法研究激发介质中的非线性波

论文摘要

激发介质中非线性波的性质是当前研究热点之一。在很多实际的系统中螺旋波及其破碎是有害的,因此对非线性波的性质研究有着重大的现实意义。随着格子玻尔兹曼方法的发展和成熟,并凭借其精度较高、程序代码简单、稳定性好等优点,成为了研究非线性波性质的有效工具。本文采用格子玻尔兹曼方法,对Selkov反应扩散系统中的非线性波进行研究。首先建立了反应扩散方程的九速正方格子模型,由该模型的格子玻尔兹曼方程推导得到反应扩散方程。接着进行计算机数值模拟,模拟时将二维系统划分为300×300个格子,采用无流边界条件。主要的数值模拟工作由以下三部分组成:一、选取分岔参数a =0.76, b =0.02,χ=0.1,κ=5.0, D X = DY=0.1,数值模拟结果显示系统具有可激发性;在相同参数下,从不同的初始态出发,系统可演化到达不同的非线性波;在不同的参数下,从相同的初始态出发,系统可演化到不同的三种状态:螺旋波、时空混沌态和均匀定态。发现Selkov反应扩散系统中螺旋波的失稳是Doppler失稳。对多种参数组合下的系统演化行为进行了模拟,得到了参数在一定范围内反映系统状态的相图。二、根据格子玻尔兹曼方法理论定义了系统内能函数,其表达式为值模拟结果表明:在均匀态下激发介质中的内能随分岔参数a增大而线性增加,在螺旋波态下激发介质中的内能随参数a的增大反而以指数形式递减。在相同的系统参数下,系统的状态分别为行波、靶波、螺旋波时,系统内能随时间作小幅的周期变化,且变化幅度不相同,经处理后发现不同波态的平均内能相差不大,这是因为在参数相同时(即系统提供能量大致不变)由不同的初始条件得到不同的稳定波态,它们的内能应该比较接近。通过计算机数值计算螺旋波失稳前后系统的内能还发现:螺旋波失稳前后系统的内能急剧降低,这说明螺旋波失稳原因在于系统提供的能量不足。三、根据九速正方格子模型,定义相应的格子玻尔兹曼熵函数H ,定义式为同参数不同波态的系统以及螺旋波失稳前后的熵进行计算机数值模拟,结果显示:相同参数下各稳定波态的熵随时间作小幅的周期变化,且变化幅度不相同,经处理发现不同稳定波态的熵并不相同,说明各稳定波态的有序度不相同。螺旋波失稳后系统的熵突然增大,这结果说明系统处于自发的相变过程时,系统总是向着熵增大的方向发展。由于非线性系统的复杂性,激发介质中非线性波的性质还有许多问题有待深入研究,本文结束时在总结全文工作的基础上对此作了分析和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 自然界中的斑图
• 1.2 连续可激发系统
• 1.3 激发介质中螺旋波的产生和破碎
• 1.4 格子玻尔兹曼方法的原理和模型简介
• 1.4.1 基本思想
• 1.4.2 HPP 模型和FHP 模型
• 1.4.3 格子玻尔兹曼方法的基本理论
• 1.4.4 格子玻尔兹曼方法的速度模型
• 1.4.5 格子玻尔兹曼方法的边界处理
• 1.5 本章小结
• 1.6 本文的主要工作和结构
• 第2章 用格子玻尔兹曼方法研究激发介质中的非线性波
• 2.1 反应扩散方程的格子玻尔兹曼模型
• 2.1.1 反应扩散方程
• 2.1.2 反应扩散方程的格子玻尔兹曼模型
• 2.2 Selkov 反应扩散系统
• 2.3 数据模拟结果与分析
• 2.3.1 Selkov 反应扩散系统的可激发性研究
• 2.3.2 系统中的非线性波和相图
• 2.4 本章小结
• 第3章 用格子玻尔兹曼方法研究激发介质的内能
• 3.1 系统内能的定义
• 3.2 数值模拟结果与分析
• 3.2.1 系统的内能与系统参数的关系
• 3.2.2 系统中不同状态下的内能
• 3.3 本章小结
• 第4章 用格子玻尔兹曼方法研究激发介质的熵
• 4.1 D2Q9 模型的格子玻尔兹曼熵函数
• 4.2 数值模拟结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 全文总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生阶段参与的科研项目