副教授 力学与航空航天工程系

吴雷,英国Strathclyde大学流体力学博士,现任南方科技大学长聘副教授。2013年至2019年在英国Strathclyde大学从事博士后研究、并历任Chancellor Fellow/讲师和高级讲师。主要从事计算流体动力学及稀薄气体动力学的研究,通过气体动理论建模及发展高效准确的数值模拟方法,理解气体极限情况下的非平衡输运,在航空航天、微机电系统、页岩气流动模拟、固体微尺度传热等方面有重要应用。

个人简介

主要研究总结:稀薄气体动力学的基本理论、算法及应用   图片版        视频版

科研心路历程:从本科生到教授的20年求学、研究经历 (视频从第45分钟开始) 

 

        

 

工作经历:
2019/11-至今 南方科技大学  长聘副教授/研究员
2018/12-2019/10 英国Strathclyde大学 高级讲师
2015/04-2018/11 英国Strathclyde大学 Chancellor Fellow & 讲师
2013/10-2015/03 英国Strathclyde大学 博士后
2008/09-2010/10 浙江农林大学天目学院 讲师

 

教育背景:
2001/09-2005/06 浙江师范大学 学士
2005/09-2008/02 浙江师范大学 硕士
2010/11-2013/09 英国Strathclyde大学 博士

 

主要奖项:
2019年  曙光青年科学家奖 (16th International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science , Edinburgh)
2018年 Strathclyde Teaching Excellence Award
2010-2013年 Scotland Overseas Research Students Award
2010年 浙江省高校优秀科研成果奖 (二等):“非线性波的自相似传播研究”
2008年 浙江省优秀毕业生

 

学术会议组织:
2019年12月  南方科技大学力学与航空航天工程系 “介观CFD:需求、挑战、前沿、应用”研讨会 (与单肖文教授、王连平教授共同组织)
2019年7月 第9届国际工业与应用数学大会,瓦伦西亚 (每四年一次) Mini-symposium “Kinetic modelling and multiscale simulation of nonequilibrium flow dynamics” (与徐昆教授、江松院士共同组织)
2018年7月 第31届国际稀薄气体动力学会议,格拉斯哥 (每两年一次)

 

代表文章:

  • Lei Wu, Craig White, Thomas J. Scanlon, Jason M. Reese, Yonghao Zhang (2013) Deterministic numerical solutions of the Boltzmann equation using the fast spectral method. Journal of Computational Physics 250:27-52.
  • Lei Wu, Jason M. Reese, Yonghao Zhang (2014) Solving the Boltzmann equation deterministically by the fast spectral method: application to gas microflows. Journal of Fluid Mechanics 746:53-84.
  • Lei Wu, Jason M. Reese, Yonghao Zhang (2014) Oscillatory rarefied gas flow inside rectangular cavities. Journal of Fluid Mechanics 748:350-367.
  • Lei Wu, Craig White, Thomas J. Scanlon, Jason M. Reese, Yonghao Zhang (2015) A kinetic model of the Boltzmann equation for nonvibrating polyatomic gases. Journal of Fluid Mechanics 763:24-50.
  • Lei Wu*, Jun Zhang, Jason M. Reese, Yonghao Zhang (2015) A fast spectral method for the Boltzmann equation for monatomic gas mixtures. Journal of Computational Physics 298:602-621.
  • Lei Wu*, Yonghao Zhang, Jason M. Reese (2015) Fast spectral solution of the generalized Enskog equation for dense gases. Journal of Computational Physics 303:66-79.
  • Lei Wu*, Haihu Liu, Jason M. Reese, Yonghao Zhang (2016) Nonequilibrium dynamics of dense gas under tight confinement. Journal of Fluid Mechanics 794:252- 266. 
  • Lei Wu*, Jun Zhang, Haihu Liu, Yonghao Zhang, Jason M. Reese (2017) A fast iterative scheme for the linearized Boltzmann equation. Journal of Computational Physics 338:431-451.
  • Lei Wu*, Minh Tuan Ho, Lefki Germanou, Xiaojun Gu, Chang Liu, Kun Xu, Yonghao Zhang (2017) On the apparent permeability of porous media in rarefied gas flows. Journal of Fluid Mechanics 822:398-417.
  • Lei Wu*, Henning Struchtrup (2017) Assessment and development of the gas kinetic boundary condition for the Boltzmann equation. Journal of Fluid Mechanics 823:511-537.
  • Lei Wu (2019) A fast spectral method for the Boltzmann collision operator for quantum gas mixtures: homogeneous relaxation and transport coefficients. Journal of Computational Physics 399:108924.
  • Wei Su, Lianhua Zhu, Peng Wang, Yonghao Zhang and Lei Wu∗ (2020) Can we find steady-state solutions to multiscale rarefied gas flows within dozens of iterations? Journal of Computational Physics 407: 109245.
  • Lei Wu*, Qi Li, Haihu Liu, Wim Ubachs (2020) Extraction of the translational Eucken factor from light scattering by molecular gas. Journal of Fluid Mechanics. 901: A23.
  • Wei Su, Lianhua Zhu, Lei Wu* (2020) Fast convergence and asymptotic preserving of the General Synthetic Iterative Scheme. SIAM Journal on Scientific Computing, accepted.

研究领域

计算流体力学:气体动理论建模和多尺度计算

稀薄气体动力学:高超声速流动、页岩气开采、瑞利布里渊散射、声子非平衡输运等


学术成果 查看更多

1)发展快速傅立叶方法求解Boltzmann方程以及描述稠密气体的Enskog方程: Journal of Fluid Mechanics 746 (2013) 53-84. Journal of Computational Physics 303 (2015) 66-79.

Boltzmann方程是非平衡统计物理的重要方程,奠定了热力学第二定律的基础。上世纪以来更成为研究稀薄气体动力学的基本方程,在航空航天、微机电系统和页岩气开发中有着重要应用。但该方程的直接数值求解一直是人类面对的重大挑战。吴雷博士发展了Boltzmann方程的快速解法,并使之能处理分子之间的真实作用势 (如Lennard-Jones势以及用从头计算方法得到的分子间作用势) 以及多组分气体间的相互作用等。

2)计算费米气体的非平衡振荡行为,首次成功解释卡文迪什实验室的相关实验: Physical Review A 85 (2012) 045601.

与玻色-爱因斯坦凝聚中玻色气体可以冷却到绝对零度左右不同,目前实验中实现的量子费米气体的温度较高,因此热运动不可忽略。吴雷博士首先用简化的量子气体动理论方程计算了准二维费米气体的四极振荡,并把数值结果与剑桥卡文迪什实验室的结果进行比对,得到了量子动理论方程的适用范围。最后吴雷博士直接求解了描述两组分费米气体的量子Boltzmann方程,指出了不同s波散射长度下不同自旋间费米气体的散射动力学。

3)建立多原子气体的动理论模型方程及其在计算瑞利-布里渊散射光谱中的应用: Journal of Fluid Mechanics 748 (2014) 350-367.

多原子气体的Boltzmann方程最早由王承书院士和Uhlenbeck提出。因为考虑了分子内部的转动和振动能级,计算量是单原子Boltzmann方程的N4次方倍,其中N为多原子气体的内部能级数目。因此在实际的工程计算中,有必要对Boltzmann方程简化。吴雷博士首先将用于描述双原子分子的Rykov简化模型推广到多原子气体,随后修正了模型方程中的碰撞项,成功地得到了与直接模拟蒙特卡洛方法一致的激波结构。新模型的另一个重要应用是计算激光与大气分子间相互作用的瑞利-布里渊散射光谱,计算效率是DSMC的1000余倍。在快速计算方法的帮助下,首次发现气体分子间的相互作用势对光谱结构有重要影响,该发现有助于提高气体参数测量的精度。

4)首次成功解释Klinkenberg稀薄气体渗流实验结果,揭示影响渗透率的因数: Journal of Fluid Mechanics 822 (2017) 398-417.

针对页岩气开采中的关键问题,吴雷博士介绍了多孔介质中气体流动表观渗透率的计算。渗透率是评价页岩气藏商业开发可行性的关键参数,与常规天然气储层相比,页岩气储层孔隙具有纳米级尺度,因此常规的基于Navier-Stokes方程的模拟方法不再适用。研究低孔、低渗页岩的渗透率及其影响因素对提高页岩气的采收效率有着非常重要的意义。吴雷博士及其合作者在大量的理论分析和数值计算的基础上,指出目前通用近似理论的缺陷,并首次给出Klinkenberg1941年经典实验的合理解释。

5)合成迭代加速算法GSIS: Journal of Computational Physics 407 (2020) 109245.

传统的数值方法将Boltzmann方程的迁移项和碰撞项分开处理,因此在近连续流领域要求网格的尺寸小于分子平均自由程,这在多尺度计算中无法容忍;同时,传统的迭代方法需要成千上万次的迭代才能找到稳态解。吴雷博士提出的GSIS方法可以完美地消除以上两个限制,在粗网格下仅通过几十步迭代就能找出稳态收敛解,为稀薄气体的多尺度模拟找到了一条可行的道路。

新闻动态 更多新闻

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研究方向

1. 稀薄气体动力学:临近空间飞行器气动特性多尺度计算等

常规航空器飞行高度为距离地面20公里以下,航天器运行高度则距地面100公里以上,而距地面20公里到100公里之间的这段区域,则被称为临近空间。临近空间飞行器发展潜力极大,不少西方国家已经将其列入信息化武器装备体系建设中。但临近空间飞行器的气动特性研究是个难题。由于稀薄气体效应,传统的计算流体力学方法失效,而通用的直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法在近连续流区需要大量模拟粒子,计算效率低。拟通过我们最近发展的合成加速算法(GSIS=General Synthetic Iterative Scheme: (Journal of Computational Physics 407 (2020) 109245; arXiv:2004.10530)求解Boltzmann方程,并最终实现DSMC涉及化学反应的高超声速多尺度流动的快速准确模拟。

                                                                                                                                              

 

2. 油气开发:多孔介质流动模拟

虽然页岩气在北美已商业开发近20年,人们对多孔介质中的流动规律仍不够了解,中国更加复杂的地质条件对页岩气资源的开发提出巨大挑战。为了经济有效地开采,我们必须深入了解页岩气的流动规律。拟对高温高压下页岩气的非平衡输运进行建模,研究高压下页岩气与页岩基质的相互作用、如何使用超临界二氧化碳置换甲烷以及同时实现二氧化碳封存等前沿课题。

我们也关注多相流在多孔介质中的输运性质。比如,裂缝性石油储层通常占世界石油储量的20%以上,但是裂缝性储层的采收率通常低于常规储层。对于低渗透率的裂缝性油藏,注水驱替常常只能通过水从裂隙中自发渗吸到多孔介质内的机制进行驱油,该过程受到多种因素的影响。准确高效地对此过程进行数值模拟以获得最大产出条件显得十分重要。我们采用颜色格子玻尔兹曼 (LBM) 算法对残余油生成机理以及参数影响规律开展了深入的研究,该方法具有高并行性,边界处理简单、程序易于实施等优点,能够方便地描述不同相间的相互作用,自动追踪界面,具有较高的稳定性和计算精度。研究结果既加深了对自吸现象的学术认识,同时对低渗透裂隙性油藏开采的实际操作优化设计起到了指导性作用。

 

水力压裂技术作为一项针对低渗油气藏的增产措施,自其于上世纪四十年代出现之初,便吸引了来自工业界和学术界的广泛关注。在压裂施工中,地面的高压泵组首先将压裂液以超过地层吸收能力的排量注入井中,在井底附近地层产生人工裂缝。继而被注入的带有支撑剂颗粒的携砂液,使裂缝继续向前延伸并填以支撑剂。关井后,在井底附近地层内便形成了具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝网,从而达到增大储层渗透率、提高油气产量的目的。

我们通过格子玻尔兹曼(LBM)和离散元(DEM)的耦合算法,对携砂液在裂缝网格中的流变规律与运输机理进行直接模拟分析。本项目的顺利开展,将有望为水力压裂施工中携砂液的注入、支撑剂浓度与粒径的选择提供理论参考,从而提高水力压裂的施工效率,以更好地推动水力压裂技术的发展,并最终为油气的增产做出贡献。

 

3. 计算流体力学:声子、辐射传热,非平衡相变换热等

随着电子器件尺寸的不断减少和功率的不断增大,散热问题成为影响微电子器件性能和寿命的重要因素。相变冷却由于其高散热能力受到极大关注。但是在微器件中,气体的平均自由程可能跟通道尺寸大小相比拟,此时非平衡效应显著,且气体-固体-液体接触线并不一定能用传统的流体方程描述。拟在这些方面开展基础研究,基于气体动理论自下而上建模,分析相变、移动接触线等复杂现象的机理。一体化研究纳米尺度的固体、液体、气体间的传质传热。

 

招聘类型

  • 研究助理教授 Research Assistant Professor
  • 博士后:35周岁以下;获得博士学位一般不超过3年。
  • 课题组研究学者Research Associate, 无年龄限制
  • 同时招收博士、硕士研究生

 

欢迎对流体物理和计算流体力学感兴趣的同学加入课题组。 

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