<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2022.1066522</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Lattice Boltzmann model in general curvilinear coordinates applied to exactly solvable 2D flow problems</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Chekhlov</surname> <given-names>Alexei</given-names></name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2043163/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Staroselsky</surname> <given-names>Ilya</given-names></name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Zhang</surname> <given-names>Raoyang</given-names></name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Chen</surname> <given-names>Hudong</given-names></name>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1291390/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff><institution>Dassault Systemes</institution>, <addr-line>Waltham, MA</addr-line>, <country>United States</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Snezhana I. Abarzhi, University of Western Australia, Australia</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Tulin Kaman, University of Arkansas, United States; Semion Sukoriansky, Ben-Gurion University of the Negev, Israel; David Freed, Ansys, United States</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Alexei Chekhlov &#x02709; <email>alexei.chekhlov&#x00040;3ds.com</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Mathematical Physics, a section of the journal Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>11</day>
<month>01</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>8</volume>
<elocation-id>1066522</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>11</day>
<month>10</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>06</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2023 Chekhlov, Staroselsky, Zhang and Chen.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Chekhlov, Staroselsky, Zhang and Chen</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license> </permissions>
<abstract>
<p>Numerical simulation results of basic exactly solvable fluid flows using the previously proposed by H. Chen Lattice Boltzmann Method (LBM) formulated on a general curvilinear coordinate system are presented. As was noted in the theoretical work of H. Chen, such curvilinear Lattice Boltzmann Method preserves a fundamental one-to-one exact advection feature in producing minimal numerical diffusion, as the Cartesian lattice Boltzmann model. As we numerically show, the new model converges to exact solutions of basic fluid flows with the increase of grid resolution in the presence of both natural curvilinear geometry and/or grid non-uniform contraction, both for near equilibrium and non-equilibrium LBM parameter choices.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>Lattice Boltzmann Method</kwd>
<kwd>generalized coordinates</kwd>
<kwd>Chapman&#x02013;Enskog theory</kwd>
<kwd>Boltzmann equation</kwd>
<kwd>numerical methods</kwd>
<kwd>fluid mechanics</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="12"/>
<table-count count="4"/>
<equation-count count="62"/>
<ref-count count="22"/>
<page-count count="22"/>
<word-count count="7639"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Lattice Boltzmann Method (LBM) is currently one of the most accurate and widely used methods of simulation and analysis of continuum media. In many physics and engineering applications, LBM almost completely displaced and/or replaced its direct finite-difference or finite-volume Navier-Stokes-based competitors. As it is well-known, currently used versions of variable grid LBM are based on the volumetric formulation of LBM [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] with the Cartesian formulation of lattice cells and space basis vectors and linear approximations of curved boundaries within a lattice cell and Variable Resolution (or VR)-regions [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. Their accuracy and consistency could be potentially improved if a true non-Cartesian formulation were available.</p>
<p>As was detailed in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], some attempts to achieve this goal were made in He et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] and Barraza and Dieterding [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], albeit with a loss of a very important feature of the basic LBM&#x02014;precision of the advection stage, and brought a significant amount of numerical dissipation. The adequate way to avoid this is to represent the process on a general coordinate system based on Riemann geometry [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] where particles move on a curved path in Euclidean space. Such a method should be producing a curvilinear inertial body force. Several such attempts were made in a series of papers [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p>
<p>Recently, a new approach [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] was proposed which for the first time has used a truly curvilinear tensor formulation of the Lattice Boltzmann Method. As noted in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], the following key differences to works [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] were proposed: the volumetric approach which exactly conserves the mass and momentum without a mass source, and also the curvilinear body force which adds momentum in the curvilinear space leads to the exact momentum conservation and reproduces the Navier-Stokes hydrodynamics to the viscous order.</p>
<p>The goal of this paper is to test and numerically validate this new method on several exactly solvable fluid flow cases in which non-equilateral lattices can be used and results can be compared with both analytical solutions and standard LBM. We have chosen the following four 2-dimensional test models: planar Couette and Poiseuille flows, with rectangular, but possibly non-equilateral, lattice cells, and circular Couette and Poiseuille flows, with strong effects of cells&#x00027; natural curvilinearity.</p>
<p>We consider two LBM lattices: D2Q9 and D2Q21 with different degrees of moment isotropy. The D2Q9 has the moment isotropy up to the 4th order, whereas the D2Q21 has the moment isotropy up to the 6th order. In the first two of the considered&#x02014;rectangular yet non-equilateral&#x02014;cases, for both the D2Q9 and D2Q21 lattices we observe a very good convergence of the new numerical method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] to the exact solution with resolution increase. In the second two cases characterized by the true naturally curvilinear lattice cells, we find that only the D2Q21 lattice leads to convergence to the exact solutions. Apparently, the D2Q9 4th-order moment isotropy is not sufficient for ensuring the accuracy of the new method, since the numerical method does converge to a solution that is however different from the exact one. Therefore, we conclude that the higher-order (6th or higher) moment isotropy of the lattice is required for the volumetric curvilinear LBM method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
<p>We have studied both equilibrium cases with the LBM relaxation time &#x003C4; &#x0003D; 1 and non-equilibrium cases with <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and confirmed that the method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] works well for non-equilibrium cases as well.</p>
<p>In order to achieve our goals, we have generalized the LBM periodicity, no-slip, and moving wall boundary conditions to the fully curvilinear case. Additionally, as explained in more detail later, we have proposed an adjustment procedure using the &#x00022;no flow&#x00022; solution algorithm to adjust the effects of discrete finite-difference approximation for the generalized basis vectors definition in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
<p>In the next section, we review the theoretical approach formulated in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. Then in Section 3, we present numerical results for the four basic flow cases mentioned above. In Section 4 we further discuss our findings as well some possible future work directions. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix A</xref>, we discuss the properties of moments isotropy of the considered lattices D2Q9 and D2Q21. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix B</xref>, we formulate the curvilinear boundary conditions. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix C</xref>, we describe an example of a non-equidistant lattice used for this study.</p></sec>
<sec id="s2">
<title>2. Formulation of LBM in curvilinear coordinates</title>
<p>In Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], a volumetric lattice Boltzmann formulation on a general curvilinear mesh is constructed based on a one-to-one mapping between physical and computational spaces <bold>x</bold> &#x0003D; <bold>x</bold>(<italic>q</italic>) as follows. The coordinate values in the computational space {<italic>q</italic>} are defined exactly as in standard LBM, i.e., forming a 3D Cartesian lattice with the lattice spacing unity. The nearest neighbor of a site in the physical space <bold>x</bold>(<italic>q</italic>) along the <italic>i</italic>th (<italic>i</italic> &#x0003D; 1, 2, 3) coordinate direction in the positive or negative direction is a spatial point <bold>x</bold><sub>&#x000B1;<italic>i</italic></sub> &#x0003D; <bold>x</bold>(<italic>q</italic><sub>&#x000B1;<italic>i</italic></sub>), where <italic>q</italic><sub>&#x000B1;<italic>i</italic></sub> is a unique coordinate value for the neighboring site, so that <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. This defines the distance vector from <bold>x</bold>(<italic>q</italic>) to one of its neighbors <bold>x</bold>(<italic>q</italic><sub>&#x000B1;<italic>i</italic></sub>):
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M4"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
which allows construction of the basis tangent vectors at <bold>x</bold>(<italic>q</italic>):
<disp-formula id="E2"><mml:math id="M5"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
that have a number of standard differential geometry properties that can be found in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. The metric tensor and the cell volume <italic>J</italic> at <bold>x</bold>(<italic>q</italic>) are thus defined as
<disp-formula id="E3"><label>(2)</label><mml:math id="M6"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and the co-tangent basis vectors <bold>g</bold><sup><italic>i</italic></sup>(<italic>q</italic>) as well as the inverse metric tensor,
<disp-formula id="E4"><label>(3)</label><mml:math id="M7"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where &#x003F5;<sup><italic>ijk</italic></sup> is a standard 3-dimensional Levy-Civita symbol.</p>
<p>With these definitions, we obtain the lattice Boltzmann velocity vectors on a general curvilinear mesh defined similar to the ones on a standard Cartesian lattice,
<disp-formula id="E6"><label>(4)</label><mml:math id="M9"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
as well as a discrete analog of the Christoffel symbol,
<disp-formula id="E7"><label>(5)</label><mml:math id="M10"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Now, the evolution of particle distribution is defined in the computational space <italic>q</italic> similar to the standard isothermal lattice Boltzmann equation (LBE), Frisch et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>], Benzi et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], and Qian et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>].
<disp-formula id="E9"><label>(6)</label><mml:math id="M12"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <italic>N</italic><sub>&#x003B1;</sub>(<italic>q, t</italic>) is the number of particles belonging to the discrete direction <italic>c</italic><sub>&#x003B1;</sub> in the cell <italic>q</italic> at time <italic>t</italic>. Here, &#x003A9;<sub>&#x003B1;</sub>(<italic>q, t</italic>) is the collision term that satisfies local mass and momentum conservation, and the particle density distribution function <italic>f</italic><sub>&#x003B1;</sub>(<italic>q, t</italic>) is related to <italic>N</italic><sub>&#x003B1;</sub>(<italic>q, t</italic>) via
<disp-formula id="E10"><label>(7)</label><mml:math id="M13"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The fundamental fluid quantities such as density &#x003C1;(<italic>q, t</italic>) and velocity <bold>u</bold>(<italic>q, t</italic>) are given by the standard hydrodynamic moments,
<disp-formula id="E11"><label>(8)</label><mml:math id="M14"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>u</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Using the Equation (4), the velocity moment above can be rewritten as
<disp-formula id="E12"><label>(9)</label><mml:math id="M15"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>u</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and the velocity in the curvilinear coordinate system is given by:
<disp-formula id="E13"><label>(10)</label><mml:math id="M16"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Observe that the Equation (10) has the same form for the fluid velocity as that in the standard Cartesian lattice-based LBM. We will use a linearized LBM collision term [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]:
<disp-formula id="E14"><label>(11)</label><mml:math id="M17"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the equilibrium distribution function and &#x003C4; is the Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) collision relaxation time [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
<p>The extra term &#x003B4;<italic>N</italic><sub>&#x003B1;</sub>(<italic>q, t</italic>) in the Equation (6) represents the change of particle distribution due to an effective inertial body force, which is a key feature of curvilinear geometry-based LBM, associated with the curvature and non-uniformity of a general curvilinear mesh. This inertial body force obviously vanishes in the standard LBM on a Cartesian lattice.</p>
<p>Define the advection process as an exact one-to-one hop from one site in the computational space <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> to another as in the standard LBM:
<disp-formula id="E15"><label>(12)</label><mml:math id="M20"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the post-collide distribution at (<italic>q, t</italic>) that is equal to the right side of the Equation (6). In Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] it was shown that the key intrinsic effect of curvilinear formulation, the net momentum change via advection from all the neighboring cells into cell <italic>q</italic> is given by:
<disp-formula id="E16"><label>(13)</label><mml:math id="M22"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and out of cell <italic>q</italic> to all its neighboring cells, is given by:
<disp-formula id="E17"><label>(14)</label><mml:math id="M23"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
so that an &#x0201C;inertial force&#x0201D; <italic><bold>&#x003C7;</bold></italic>(<italic>q, t</italic>) &#x0003D; [<italic><bold>&#x003C7;</bold></italic><sup><italic>I</italic></sup>(<italic>q, t</italic>) &#x0002B; <italic><bold>&#x003C7;</bold></italic><sup><italic>o</italic></sup>(<italic>q, t</italic>)]/2 that equals exactly to the amount needed for achieving the momentum conservation in the underlying Euclidean space is:
<disp-formula id="E18"><label>(15)</label><mml:math id="M24"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The full viscous Navier-Stokes equation is recovered when the momentum flux is defined as:
<disp-formula id="E20"><label>(16)</label><mml:math id="M26"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
It is shown in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] that choosing:
<disp-formula id="E22"><label>(17)</label><mml:math id="M28"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A0;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
satisfies the necessary moment constraints. Note also that due to the appearance of <inline-formula><mml:math id="M29"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the Equation (15), the overall collision process for determining <inline-formula><mml:math id="M30"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defines an implicit relationship. Specifically, the Equation (17) defines the curvilinear correction &#x003B4;<italic>N</italic><sub>&#x003B1;</sub>(<italic>q, t</italic>) through <italic>F</italic><sup><italic>j</italic></sup>(<italic>q, t</italic>) and the Equation (15) expresses <italic>F</italic><sup><italic>j</italic></sup>(<italic>q, t</italic>) using <italic>N</italic>&#x02032;(<italic>q, t</italic>), which, again, depends on the same &#x003B4;<italic>N</italic><sub>&#x003B1;</sub>(<italic>q, t</italic>). In this work, for the numerical implementation of the Equation (15) we split this implicit relationship into explicit relationships at two successive time steps: we use the <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the previous time-step in the Equation (15). Iterative procedures to numerically implement this implicit relationship in the Equation (15) are also possible.</p>
<p>The physical velocity <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> was defined in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] through the curvilinear body force <italic>F</italic> as follows:
<disp-formula id="E23"><label>(18)</label><mml:math id="M32"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where:&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The equilibrium distribution function that produces the Navier-Stokes equation in curvilinear coordinates in the hydrodynamic limit is Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]:
<disp-formula id="E24"><label>(19)</label><mml:math id="M33"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
We will also need the following simple mapping of fluid values &#x003C1;(<italic>q, t</italic>) and <italic>U</italic><sup><italic>i</italic></sup>(<italic>q, t</italic>) onto the original curvilinear mesh:
<disp-formula id="E26"><label>(20)</label><mml:math id="M35"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>u</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></sec>
<sec id="s3">
<title>3. Four exactly solvable flow problems</title>
<p>The four exactly solvable flow problems are presented below in order to validate the new approach [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. As stated in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], in order to recover the correct isothermal low Ma Navier-Stokes hydrodynamics, a set of necessary moments isotropy and normalization conditions must be satisfied. This is why we present a detailed comparison between two lattices: D2Q9 and D2Q21. The details of isotropy and normalization conditions for these two lattices are presented in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix A</xref>. In all of the below cases, we use the boundary conditions, generalized by us for curvilinear LBM, presented in detail in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix B</xref>.</p>
<sec>
<title>3.1. Planar Couette flow</title>
<p>This well-known [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] simple exact solution <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> describes a stationary flow of viscous incompressible fluid between two vertical planes: at <italic>x</italic> &#x0003D; 0 moving with a constant velocity <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover class="overrightarrow"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x020D7;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a non-moving one at <italic>x</italic> &#x0003D; <italic>l</italic>:
<disp-formula id="E27"><label>(21)</label><mml:math id="M38"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Solution of the Equation (21) in lattice units for a non-equidistant lattice is:
<disp-formula id="E28"><label>(22)</label><mml:math id="M39"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Here <italic>x</italic><sub><italic>i</italic></sub> is a spatially varying coordinate of the lattice node. In this study, a lattice that is linearly contracting toward the boundaries is used (see <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix C</xref>), and <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the average step <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the <italic>x</italic>-direction. We studied other variable-size lattices and conclude that our main findings do not depend on the particular type of contraction, as long as some general stability conditions are satisfied.</p>
<p>Thus, defined plane channel problem does not possess a true curvilinearity but rather a deviation from the equidistant lattice which is due to cell contraction.</p>
<p>The LBM parameters for the equilibrium case with &#x003C4; &#x0003D; 1 for the D2Q9 lattice are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1A</xref>:</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Planar Couette LBM parameters.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead><tr style="background-color:#e0e1e2">
<th valign="top" align="left" colspan="5"><bold>Panel A: D2Q9 lattice, variable</bold> <italic><bold>N</bold></italic><sub><bold><italic><bold>x</bold></italic></bold></sub><bold>, and</bold> &#x003C4; &#x0003D; 1</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">8</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">16</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">32</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">40.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">64</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">80.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">128</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">160.0</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left" colspan="5"><bold>Panel B: D2Q21 Lattice, variable</bold> <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub><bold>, and</bold> &#x003C4; &#x0003D; 1</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">8</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">5.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">16</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">32</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">64</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">40.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">128</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">80.0</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left" colspan="5"><bold>Panel C: D2Q9 Lattice, variable</bold> &#x003C4;<bold>, and</bold> <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 64</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left">&#x003C4;</td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">1.0</td>
<td valign="top" align="center">0.052</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.090</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.9</td>
<td valign="top" align="center">0.042</td>
<td valign="top" align="center">0.133</td>
<td valign="top" align="center">0.072</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.8</td>
<td valign="top" align="center">0.031</td>
<td valign="top" align="center">0.100</td>
<td valign="top" align="center">0.054</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.7</td>
<td valign="top" align="center">0.021</td>
<td valign="top" align="center">0.067</td>
<td valign="top" align="center">0.036</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left" colspan="5"><bold>Panel D: D2Q21 lattice, variable</bold> &#x003C4;<bold>, and</bold> <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 64</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left" colspan="5">Planar Couette, D2Q21 Lattice, <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 64</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left">&#x003C4;</td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">1.0</td>
<td valign="top" align="center">0.052</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.064</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.9</td>
<td valign="top" align="center">0.042</td>
<td valign="top" align="center">0.267</td>
<td valign="top" align="center">0.051</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.8</td>
<td valign="top" align="center">0.031</td>
<td valign="top" align="center">0.200</td>
<td valign="top" align="center">0.038</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.7</td>
<td valign="top" align="center">0.021</td>
<td valign="top" align="center">0.133</td>
<td valign="top" align="center">0.026</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>As it is well expected, on the equidistant D2Q9 lattice (which corresponds to the trivial compression ratio <italic>CR</italic> &#x0003D; 0 in our notations), all quantities &#x003C1;(<italic>x</italic>), <inline-formula><mml:math id="M134"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>1</sup>(<italic>x</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) for all resolutions <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 accurately reproduce the exact analytical solution (Equations 21, 22).</p>
<p>One simple way to introduce some curvilinear effects into an otherwise Cartesian geometry is to consider variable aspect ratio grid cells, for example as is done in the linear grid compression case described in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix C</xref>. An example of such geometry and grid is shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Examples of Geometries and Lattices Considered. <bold>(A)</bold> Cartesian geometry case with <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; <italic>N</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; 32, and linear <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4 grid compression in <italic>x</italic>&#x02212;direction. <bold>(B)</bold> Circular geometry case with <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 32, <italic>N</italic><sub>&#x003B8;</sub> &#x0003D; 20, and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0001.tif"/>
</fig>
<p>The numerical results for the fields of &#x003C1;(<italic>x</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) for the D2Q9 lattice with the nontrivial compression ratio <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4, are presented in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F2">B</xref> below:</p>
<p><inline-formula><mml:math id="M137"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>1</sup>(<italic>x</italic>) in this case is negligibly small for all resolutions <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128. As we can see, even on strongly non-equidistant lattice D2Q9 we also converge to the exact solution with higher resolutions.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Planar Couette flow, contracting grid, variable <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub>, D2Q9 lattice. <bold>(A)</bold> &#x003C1;(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0002.tif"/>
</fig>
<p>The LBM parameters for the D2Q21 lattice and &#x003C4; &#x0003D; 1 that we used are listed in the <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1B</xref> above.</p>
<p>The boundary conditions developed for curvilinear LBM with D2Q21 are presented in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix B</xref>. In formulating the boundary conditions, we have assumed the symmetrically-continued geometry through the boundary. The stencil length for D2Q21 is three times larger than that for D2Q9, and therefore some approximation errors are expected to be larger near the moving boundary than those for D2Q9. It needs to be pointed out that this issue is related to the boundary conditions algorithm rather than to the intrinsic nature of the curvilinear LBM [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
<p>Similar to the D2Q9 case, our code applied to the trivial equilateral D2Q21 lattice (<italic>CR</italic> &#x0003D; 0) gives perfectly converging results for all &#x003C1;(<italic>x</italic>), <inline-formula><mml:math id="M139"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>1</sup>(<italic>x</italic>), and <inline-formula><mml:math id="M140"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>), for all resolutions <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 that accurately reproduce the exact analytical solution (Equations 21, 22). Results for &#x003C1;(<italic>x</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M141"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) for D2Q21 and nontrivial rectangular lattice with <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4 are presented in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F3">B</xref> below. Note that <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4 corresponds to <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>33</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and that according to our set-up of the linearly contracting lattice described in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix C</xref>, this value of <italic>CR</italic> corresponds to different values of lattice parameter <italic>a</italic> for each resolution.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Planar Couette flow, contracting grid, variable <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub>, D2Q21 lattice. <bold>(A)</bold> &#x003C1;(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M142"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0003.tif"/>
</fig>
<p>As we can see, even on strongly non-equidistant lattice D2Q21 we also converge to the exact solution with higher resolutions.</p>
<p>Let us now present the results of numerical model solutions for a fixed resolution <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 64 but variable &#x003C4; &#x0003D; {1.0, 0.9, 0.8, 0.7} for both lattices D2Q9 and D2Q21.</p>
<p>The corresponding LBM parameters for the D2Q9 lattice we used are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1C</xref> above.</p>
<p>The agreement of numerical solution with the exact one with no lattice compression <italic>CR</italic> &#x0003D; 0 is of course very good for both lattices D2Q9 and D2Q21 for all &#x003C4; &#x0003D; {1.0, 0.9, 0.8, 0.7}. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F4">B</xref> below we present the comparisons of numerical results with the exact solution for lattice D2Q9 with compression <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35 and &#x003C4; &#x0003D; {1.0, 0.9, 0.8, 0.7}. We show variable &#x003C4; cases on the same graphs, for the following quantities: <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Planar Couette flow, contracting grid, variable &#x003C4; for D2Q9 lattice. <bold>(A)</bold> <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0004.tif"/>
</fig>
<p>The <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35, are all equal to zero within double-precision accuracy and the <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35 show very weak dependence on &#x003C4;. We can see that for D2Q9 lattice and strong cell compression the new method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] not only converges with the increase in resolution but also works well for various values of parameter &#x003C4;.</p>
<p>The corresponding LBM parameters used for the D2Q21 lattice are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1D</xref> above. Similar numerical results for D2Q21 lattice are presented in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">B</xref> below.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Planar Couette flow, contracting grid, variable &#x003C4; for D2Q21 lattice. <bold>(A)</bold> <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0005.tif"/>
</fig>
<p>As in the D2Q9 case, the <inline-formula><mml:math id="M52"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35, are approximately equal to zero and the <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35 show very weak dependence on &#x003C4;. Here we can also see that for D2Q21 lattice with strong cell compression the new method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] not only converges with the increase in resolution but also works well for various values of parameter &#x003C4;.</p>
<p>All the problems considered in the paper were solved numerically as non-stationary problems converging to a steady state from zero initial velocity state. The convergence to the steady state was judged by the conservation of total kinetic energy in the system in the first two plane geometry problems and by the conservation of both total kinetic energy and total angular momentum in the system in the second two curvilinear (circular) problems. In order to achieve that steady state in some cases over 150 times to traverse the characteristic length with the characteristic velocity were required. Total mass in the system was conserved at all intermediary times.</p>
<p>Also note the fact that in curvilinear and non-equidistant step cases, the numerical solution for density <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not constant, as can be seen in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F3">3A</xref>, is a byproduct of the finite-difference approximation of the basis vectors in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] and can be eliminated and reduced to the exact solution (<inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in this case) using the following &#x00022;no flow&#x00022; adjustment:
<disp-formula id="E29"><label>(23)</label><mml:math id="M56"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the numerical solution of the corresponding &#x00022;no flow&#x00022; problem with the same geometry but <italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub> &#x0003D; 0.</p>
<p>The differences between D2Q9 and D2Q21 lattices do not seem to affect the convergence to the exact solution for this simple model problem.</p></sec>
<sec>
<title>3.2. Plane Poiseuille flow</title>
<p>This next well-known [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] classical solution describes a stationary flow of viscous liquid between two infinite vertical planes at <italic>x</italic> &#x0003D; 0 and <italic>x</italic> &#x0003D; <italic>l</italic> under the action of constant vertical gravity force corresponding to acceleration &#x02212;<italic>g</italic>. The stationary solution with no-slip boundary conditions at <italic>x</italic> &#x0003D; 0, <italic>l</italic> is a parabola,
<disp-formula id="E30"><label>(24)</label><mml:math id="M58"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where &#x003BD; is the kinematic viscosity and <italic>G</italic> &#x02261; <italic>g</italic>/&#x003BD;. Rewritten in lattice units on a non-equidistant lattice, the Equation (24) becomes:
<disp-formula id="E31"><label>(25)</label><mml:math id="M59"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Similar to the Planar Couette flow, we have investigated both lattices D2Q9 and D2Q21 and a set of resolutions <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 with and without lattice contraction.</p>
<p>In <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2A</xref> below we list the set of LBM parameters used for the D2Q9 lattice:</p>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 2</label>
<caption><p>Plane Poiseuille LBM parameters.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead><tr style="background-color:#e0e1e2">
<th valign="top" align="left" colspan="7"><bold>Panel A: D2Q9 lattice, variable</bold> <italic><bold>N</bold></italic><sub><bold><italic><bold>x</bold></italic></bold></sub><bold>, and</bold> &#x003C4; &#x0003D; 1</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>g</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Fr</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">8</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">6.51 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
<td valign="top" align="center">0.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">16</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">1.63 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
<td valign="top" align="center">1.3</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">32</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">4.07 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;4</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">40.0</td>
<td valign="top" align="center">1.8</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">64</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">1.02 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;4</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">80.0</td>
<td valign="top" align="center">2.6</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">128</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">2.54 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.361</td>
<td valign="top" align="center">160.0</td>
<td valign="top" align="center">3.7</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left" colspan="7"><bold>Panel B: D2Q21 lattice, variable</bold> <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub><bold>, and</bold> &#x003C4; &#x0003D; 1</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>g</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Fr</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">8</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">1.30 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;2</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">5.0</td>
<td valign="top" align="center">0.6</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">16</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">3.26 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
<td valign="top" align="center">0.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">32</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">8.14 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;4</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
<td valign="top" align="center">1.3</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">64</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">2.03 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;4</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">40.0</td>
<td valign="top" align="center">1.8</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">128</td>
<td valign="top" align="center">0.208</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">5.09 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.255</td>
<td valign="top" align="center">80.0</td>
<td valign="top" align="center">2.6</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left" colspan="7"><bold>Panel C: D2Q9 lattice, variable</bold> &#x003C4;<bold>, and</bold> <italic>N</italic> &#x0003D; 64</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left">&#x003C4;</td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>g</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Fr</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">1.0</td>
<td valign="top" align="center">0.052</td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">2.54 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.090</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
<td valign="top" align="center">1.3</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.9</td>
<td valign="top" align="center">0.042</td>
<td valign="top" align="center">0.133</td>
<td valign="top" align="center">1.63 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.072</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
<td valign="top" align="center">1.3</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.8</td>
<td valign="top" align="center">0.031</td>
<td valign="top" align="center">0.100</td>
<td valign="top" align="center">9.16 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;6</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.054</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
<td valign="top" align="center">1.3</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.7</td>
<td valign="top" align="center">0.021</td>
<td valign="top" align="center">0.067</td>
<td valign="top" align="center">4.07 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;6</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.036</td>
<td valign="top" align="center">20.0</td>
<td valign="top" align="center">1.3</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left" colspan="7"><bold>Panel D: D2Q21 lattice, variable</bold> &#x003C4;<bold>, and</bold> <italic>N</italic> &#x0003D; 64</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left">&#x003C4;</td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>g</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Fr</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">1.0</td>
<td valign="top" align="center">0.052</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">5.09 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.064</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
<td valign="top" align="center">0.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.9</td>
<td valign="top" align="center">0.042</td>
<td valign="top" align="center">0.267</td>
<td valign="top" align="center">3.26 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.051</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
<td valign="top" align="center">0.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.8</td>
<td valign="top" align="center">0.031</td>
<td valign="top" align="center">0.200</td>
<td valign="top" align="center">1.83 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.038</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
<td valign="top" align="center">0.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.7</td>
<td valign="top" align="center">0.021</td>
<td valign="top" align="center">0.133</td>
<td valign="top" align="center">8.14 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;6</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.026</td>
<td valign="top" align="center">10.0</td>
<td valign="top" align="center">0.9</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>For D2Q9 lattice with <italic>CR</italic> &#x0003D; 0, all quantities &#x003C1;(<italic>x</italic>), <inline-formula><mml:math id="M143"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>1</sup>(<italic>x</italic>), and <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) produced by the new method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] for all resolutions <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 accurately reproduce the exact analytical solution (Equations 24, 25).</p>
<p>The <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2B</xref> above details the LBM parameters we used for the D2Q21 lattice cases. For D2Q21 lattice with <italic>CR</italic> &#x0003D; 0 the new curvilinear algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] also converges well to the exact solution for all considered resolutions <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128. As in the previous Couette flow case for D2Q21 we observe some very small influence of the boundary conditions.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A</xref>&#x02013;<xref ref-type="fig" rid="F7">7B</xref> below we present the numerical solution to the non-equidistant case with compression of cells with <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4. The results for &#x003C1;(<italic>x</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M145"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>), for D2Q9 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F6">B</xref> below.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Plane Poiseuille flow, contracting grid, variable <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub>, D2Q9 lattice. <bold>(A)</bold> &#x003C1;(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M146"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0006.tif"/>
</fig>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Plane Poiseuille flow, contracting grid, variable <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub>, D2Q21 lattice. <bold>(A)</bold> &#x003C1;(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup>(<italic>x</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; 8, 16, 32, 64, 128 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0007.tif"/>
</fig>
<p><inline-formula><mml:math id="M148"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>1</sup> in this case is negligibly small for all resolutions. We again observe a very good convergence with the increase in resolution to the exact solution (Equations 24, 25). The results for &#x003C1;(<italic>x</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M149"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>2</sup> for D2Q21 and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.4 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F7">B</xref> below.</p>
<p>We again observe a very good convergence with the increase in resolution to the exact solution (Equations 24, 25). One can notice a better performance of the D2Q21 lattice in the middle of the domain than that of the D2Q9.</p>
<p>Let us now show the results of numerical model solutions for a fixed resolution <italic>N</italic> &#x0003D; 64 but variable &#x003C4; &#x0003D; {1.0, 0.9, 0.8, 0.7} for both lattices D2Q9 and D2Q21. The corresponding LBM parameters for the D2Q9 lattice we used are shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2C</xref> above.</p>
<p>The agreement of numerical with the exact solution with no lattice compression <italic>CR</italic> &#x0003D; 0 was very good for both lattices D2Q9 and D2Q21 for all &#x003C4; &#x0003D; {1.0, 0.9, 0.8, 0.7}. Below in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figures 8A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F8">B</xref> we present the comparisons of numerical results with the exact solution for lattice D2Q9 with compression <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35 and &#x003C4; &#x0003D; {1.0, 0.9, 0.8, 0.7}. We show variable &#x003C4; cases on the same graphs, for the following quantities: <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Plane Poiseuille flow, contracting grid, variable &#x003C4; for D2Q9 lattice. <bold>(A)</bold> <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0008.tif"/>
</fig>
<p>The <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35, are all equal to zero within double-precision accuracy and the <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q9, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35 show very weak dependence on &#x003C4;. As one can see, the new method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] using the D2Q9 lattice with strong cell compression works well for various values of parameter &#x003C4;.</p>
<p>The corresponding LBM parameters for the D2Q21 lattice we used are shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2D</xref> above. In <xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F9">B</xref> below we present the numerical results for D2Q21 lattice.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>Plane Poiseuille flow, contracting grid, variable &#x003C4; for D2Q21 lattice. <bold>(A)</bold> <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0009.tif"/>
</fig>
<p>Similar to the D2Q9 case, the <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35, are approximately equal to zero and the <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for D2Q21, &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, and <italic>CR</italic> &#x0003D; 0.35 show very weak dependence on &#x003C4;. Here we observe that the new method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] with strong compression also works well for various values of parameter &#x003C4;.</p>
<p>To summarize, for these two planar geometry problems above, both D2Q9 and D2Q21 lattices provide adequate and comparable performance for cases with and without lattice compression. Let us now move on to problems with intrinsic curvilinearity.</p></sec>
<sec>
<title>3.3. Circular Couette flow</title>
<p>This is also a well-known [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] naturally curvilinear problem with a closed-form exact solution, which fits very well for our purpose of validating the new method. This solution describes a stationary flow of viscous liquid between two infinite concentric vertical cylinders with radii <italic>R</italic><sub>1</sub> for the internal one and <italic>R</italic><sub>2</sub> for the external one, rotating with corresponding angular velocities &#x003A9;<sub>1</sub> and &#x003A9;<sub>2</sub>. Here we will need the leading order in <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> (Mach number) exact solution of the compressible Navier-Stokes equations.</p>
<p>For both of the circular problems considered here, we can introduce a measure of natural curvilinearity, a coefficient <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. If we keep the distance between cylinders <italic>R</italic><sub>2</sub> &#x02212; <italic>R</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>const</italic>, then <italic>NCR</italic> &#x0003D; 1 corresponds to a previously considered planar case for <italic>R</italic><sub>1</sub> &#x02192; &#x0002B;&#x0221E;. Conversely, cases <italic>NCR</italic> &#x0226B; 1 correspond to cases with strong natural curvilinearity. The Reynolds number for this problem was defined as <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. An example of geometry and the lattice with strong natural curvilinearity with <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11 that we have used in the calculations is shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>.</p>
<p>The &#x003B8;-component of the Navier-Stokes equations written in polar coordinates <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in our case of a stationary <italic>r</italic>-dependent, &#x003B8;-directional flow is:
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M74"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
with the following solution:
<disp-formula id="E33"><label>(26)</label><mml:math id="M75"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E34"><label>(27)</label><mml:math id="M76"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Note that this classical solution has the following properties: it is a non-monotonic function of <italic>r</italic> for <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> with an extremum at
<disp-formula id="E35"><mml:math id="M78"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
and it is a monotone function outside of this interval.</p>
<p>Also, note that the above velocity profile has the same leading order behavior in small parameters <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for <italic>l</italic> &#x0003D; <italic>R</italic><sub>2</sub> &#x02212; <italic>R</italic><sub>1</sub> and <italic>x</italic> &#x0003D; <italic>r</italic> &#x02212; <italic>R</italic><sub>1</sub> as the exact planar Couette flow solution when both vertical planes are moving with velocities <italic>U</italic><sub>1</sub> &#x0003D; &#x003A9;<sub>1</sub><italic>R</italic><sub>1</sub> and <italic>U</italic><sub>2</sub> &#x0003D; &#x003A9;<sub>2</sub><italic>R</italic><sub>2</sub>:
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M80"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
which for <italic>U</italic><sub>1</sub> &#x0003D; 0 reproduces the exact solution for the plane Couette flow Equation 21.</p>
<p>The radial component of the Navier-Stokes equation for a stationary <italic>r</italic>-dependent flow only in &#x003B8;-direction, is:
<disp-formula id="E37"><label>(28)</label><mml:math id="M81"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
which simplifies into the following 1-st order ODE:
<disp-formula id="E38"><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The LBM formalism results in an expansion in powers of <italic>Ma</italic> number with the ideal gas law equation of state:
<disp-formula id="E39"><label>(29)</label><mml:math id="M83"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
If we substitute this into the previous incompressible equation, we obtain the leading order in <italic>Ma</italic> ODE for density:
<disp-formula id="E40"><mml:math id="M84"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
This defines the density behavior at the leading order in <italic>Ma</italic>:
<disp-formula id="E41"><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where:
<disp-formula id="E42"><mml:math id="M86"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The integration constant <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be determined using conservation of total mass:
<disp-formula id="E43"><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
which leads to:
<disp-formula id="E44"><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where we denoted:
<disp-formula id="E45"><label>(30)</label><mml:math id="M90"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Thus the leading-order in <italic>Ma</italic> exact solution for density is:
<disp-formula id="E47"><label>(31)</label><mml:math id="M92"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
We will need the above exact solution for velocity expressed in lattice units on the non-equidistant lattice:
<disp-formula id="E48"><label>(32)</label><mml:math id="M93"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where we denoted:
<disp-formula id="E49"><label>(33)</label><mml:math id="M94"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">and</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and similar to earlier definitions, <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is the average step in the radial direction. Similarly, the exact solution for density in lattice units on the non-equidistant lattice is:
<disp-formula id="E51"><label>(34)</label><mml:math id="M97"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where we denoted:
<disp-formula id="E52"><label>(35)</label><mml:math id="M98"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and
<disp-formula id="E53"><label>(36)</label><mml:math id="M99"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
In both of our circular problems, we used the same method of choosing the azimuthal lattice size <italic>N</italic><sub>&#x003B8;</sub> as a function of radial lattice size <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub>, which was the following. Requiring that the lattice cells near <italic>r</italic> &#x0003D; <italic>R</italic><sub>1</sub> are approximately equilateral results in <inline-formula><mml:math id="M100"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Obviously, such intrinsically curvilinear problems cannot be solved by a standard LBM even without radial lattice step contraction. Therefore, here we present the comparisons between D2Q9 and D2Q21 lattices without radial grid contraction for a case of strong natural curvilinearity <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11. We have considered the case of &#x003A9;<sub>2</sub> &#x0003D; 0 in the numerical solutions below.</p>
<p>The LBM parameters for the D2Q9 lattice we have used are presented in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3A</xref>, and the LBM parameters used for the D2Q21 lattice are presented in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3B</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T3">
<label>Table 3</label>
<caption><p>Circular Couette LBM parameters.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead><tr style="background-color:#e0e1e2">
<th valign="top" align="left" colspan="7"><bold>Panel A: D2Q9 lattice, variable</bold> <italic><bold>N</bold></italic><sub><bold><italic><bold>x</bold></italic></bold></sub><bold>, and</bold> &#x003C4; &#x0003D; 1</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub>&#x003B8;</sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003A9;<sub>1, <italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">40</td>
<td valign="top" align="center">64</td>
<td valign="top" align="center">3.82 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;2</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.424</td>
<td valign="top" align="center">93.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">80</td>
<td valign="top" align="center">128</td>
<td valign="top" align="center">1.91 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;2</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.424</td>
<td valign="top" align="center">187.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">160</td>
<td valign="top" align="center">256</td>
<td valign="top" align="center">9.56 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.424</td>
<td valign="top" align="center">375.8</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">320</td>
<td valign="top" align="center">512</td>
<td valign="top" align="center">4.78 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.424</td>
<td valign="top" align="center">751.5</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">640</td>
<td valign="top" align="center">1,024</td>
<td valign="top" align="center">2.39 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.167</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.424</td>
<td valign="top" align="center">1503.1</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left" colspan="7"><bold>Panel B: D2Q21 lattice, variable</bold> <italic>N</italic><sub><italic>x</italic></sub><bold>, and</bold> &#x003C4; &#x0003D; 1</td>
</tr> <tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub>&#x003B8;</sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003A9;<sub>1, <italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">40</td>
<td valign="top" align="center">64</td>
<td valign="top" align="center">3.82 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;2</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.300</td>
<td valign="top" align="center">47.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">80</td>
<td valign="top" align="center">128</td>
<td valign="top" align="center">1.91 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;2</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.300</td>
<td valign="top" align="center">93.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">160</td>
<td valign="top" align="center">256</td>
<td valign="top" align="center">9.56 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.300</td>
<td valign="top" align="center">187.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">320</td>
<td valign="top" align="center">512</td>
<td valign="top" align="center">4.78 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.300</td>
<td valign="top" align="center">375.8</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">640</td>
<td valign="top" align="center">1,024</td>
<td valign="top" align="center">2.39 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;3</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.245</td>
<td valign="top" align="center">0.300</td>
<td valign="top" align="center">751.5</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F10">Figures 10A</xref>&#x02013;<xref ref-type="fig" rid="F10">C</xref> we present the numerical solutions for &#x003C1;(<italic>r</italic>), <inline-formula><mml:math id="M150"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup><italic>r</italic></sup>(<italic>r</italic>), and <inline-formula><mml:math id="M151"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>&#x003B8;</sup>(<italic>r</italic>) for resolutions <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, and 1,024 for D2Q9 lattice. Note that in the cases below we only show &#x003C1; after the application of the &#x00022;no flow&#x00022; adjustment described above.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>Figure 10</label>
<caption><p>Circular Couette flow, <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11, variable <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub>, D2Q9 lattice. <bold>(A)</bold> &#x003C1;(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M152"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup><italic>r</italic></sup>(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11. <bold>(C)</bold> <inline-formula><mml:math id="M153"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>&#x003B8;</sup>(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0010.tif"/>
</fig>
<p>In a drastic difference to the previously considered planar problems, we observe here that the D2Q9 lattice does not converge to the exact solutions (Equations 25, 31, 32, 34). This calls for exploring of the higher-order D2Q21 lattice.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F11">Figures 11A</xref>&#x02013;<xref ref-type="fig" rid="F11">C</xref> present the numerical solutions for &#x003C1;(<italic>r</italic>), <inline-formula><mml:math id="M154"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup><italic>r</italic></sup>(<italic>r</italic>), and <inline-formula><mml:math id="M155"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>&#x003B8;</sup>(<italic>r</italic>) for resolutions <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, and 1,024 for D2Q21 lattice, which possesses a higher degree of isotropy (see <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix A</xref>).</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>Figure 11</label>
<caption><p>Circular Couette flow, <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11, variable <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub>, D2Q21 lattice. <bold>(A)</bold> &#x003C1;(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M156"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup><italic>r</italic></sup>(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11. <bold>(C)</bold> <inline-formula><mml:math id="M157"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>&#x003B8;</sup>(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024, and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0011.tif"/>
</fig>
<p>Notice that unlike in the D2Q9 case, the implementation of the model based on the D2Q21 lattice does converge very well to the exact solutions (Equations 26, 31, 32, 34) with the increase in resolution. The more widely used D2Q9 lattice simply does not have sufficient isotropy to support the LBM on the curvilinear mesh.</p>
<p>Let us try to outline here the reasons for the importance of higher-order isotropy. As shown in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], the 6th-order isotropy is required to reproduce the Navier-Stokes equation in curvilinear coordinates. In particular, the 3-rd order tensor <italic>Q</italic><sup><italic>ijk,eq</italic></sup> will satisfy the 6th order isotropy condition given by the Equation (32) of Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] for a specific choice of equilibrium distribution function <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, which requires the Hermite expansion up to 3rd-order, given by the Equation (33) of Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. Therefore, the 6th-order isotropy as defined in the last Equation (10) of Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] is required in order to avoid discrete rotational artifacts.</p></sec>
<sec>
<title>3.4. Circular flow driven by an azimuthal force (circular Poiseuille flow)</title>
<p>Similar to the previous case, this is a naturally curvilinear problem with the same exact geometry, but it has a closed-form exact solution which in the limiting case of <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:math></inline-formula>, such that <italic>R</italic><sub>2</sub> &#x02212; <italic>R</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>const</italic> converges to the Plane Poiseuille flow considered above. For this problem, in addition to the Reynolds number <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, we can also define the Froude number as <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, with the average velocity <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> obtained from the exact solution below.</p>
<p>This is a model problem that we at the present time can not connect to any physical situation but is useful for analyzes of numerical aspects associated with curvilinear LBM. We are not aware that this problem was considered before.</p>
<p>As is shown in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix D</xref>, a constant curvilinear second co-tangent component of the external &#x0201C;gravity&#x0201D; force <italic>g</italic><sup>2</sup> corresponds to the following external &#x0201C;gravity&#x0201D; component in polar coordinates:
<disp-formula id="E54"><label>(37)</label><mml:math id="M106"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Denote <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, then the &#x003B8;-component of the external &#x00022;gravity&#x00022; force corresponds to the acceleration <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Similarly to the previous section, in the particular case of stationary <italic>r</italic>-dependent and &#x003B8;-directional flow in the presence of external force with acceleration <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is pushing the fluid in the clockwise azimuthal direction for &#x003B1; &#x0003E; 0, we get:
<disp-formula id="E55"><label>(38)</label><mml:math id="M110"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
resulting in:
<disp-formula id="E56"><label>(39)</label><mml:math id="M111"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Here <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is the kinematic viscosity, and the constants <italic>a</italic> and <italic>b</italic> determined from the no-slip boundary conditions <italic>u</italic><sub>&#x003B8;</sub>(<italic>R</italic><sub>1</sub>) &#x0003D; <italic>u</italic><sub>&#x003B8;</sub>(<italic>R</italic><sub>2</sub>) &#x0003D; 0:
<disp-formula id="E57"><label>(40)</label><mml:math id="M114"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The velocity profile given by the Equation (39) which starts and ends at 0 and has a minimum at:
<disp-formula id="E58"><label>(41)</label><mml:math id="M115"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
One can also define the average velocity which can be used as a characteristic flow velocity for the specification of Reynolds and Froude numbers:
<disp-formula id="E59"><label>(42)</label><mml:math id="M116"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Note that the leading-order behavior of this curvilinear flow in the small parameters <italic>x</italic>, &#x003F5;: <inline-formula><mml:math id="M118"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, is:
<disp-formula id="E61"><mml:math id="M119"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where we denoted <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, which exactly corresponds to the plane Poiseuille flow in Cartesian coordinates (Equation 24).</p>
<p>The radial component of the Navier-Stokes equation Equation (28) with the equation of state given by the Equation (29) becomes
<disp-formula id="E62"><label>(43)</label><mml:math id="M121"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with the solution:
<disp-formula id="E63"><label>(44)</label><mml:math id="M122"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where:
<disp-formula id="E64"><label>(45)</label><mml:math id="M123"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>384</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and
<disp-formula id="E65"><label>(46)</label><mml:math id="M124"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>96</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3072</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Rewritten in lattice units,
<disp-formula id="E66"><label>(47)</label><mml:math id="M125"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E67"><label>(48)</label><mml:math id="M126"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E69"><label>(49)</label><mml:math id="M128"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E70"><label>(50)</label><mml:math id="M129"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>384</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mo>&#x025B3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E71"><label>(51)</label><mml:math id="M130"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>96</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3072</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
As we have shown in the previous section, on non-equilateral grid systems the D2Q9 lattice cannot adequately reproduce the exact solutions in intrinsically curvilinear geometries due to the lack of 6-th order isotropy. Therefore, we will be only showing here the results for the D2Q21 lattice. We have again used the same case of strong intrinsic curvilinearity <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11.</p>
<p>The <xref ref-type="table" rid="T4">Table 4</xref> below lists the set of LBM parameters used for comparisons in this case:</p>
<table-wrap position="float" id="T4">
<label>Table 4</label>
<caption><p>Circular Poiseuille flow, D2Q21 lattice parameters, and &#x003C4; &#x0003D; 1.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead><tr style="background-color:#e0e1e2">
<th valign="top" align="left" colspan="8"><bold>Panel A: Circular Poiseuille, D2Q21 Lattice, and</bold> &#x003C4; &#x0003D; 1</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr style="background-color:#e0e1e2">
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub>&#x003B8;</sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x003BD;<sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>U</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>g</italic><sub><italic>lat</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Ma</italic><sub><italic>sim</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Re</italic></td>
<td valign="top" align="center"><italic>Fr</italic></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">40</td>
<td valign="top" align="center">64</td>
<td valign="top" align="center">0.334</td>
<td valign="top" align="center">0.130</td>
<td valign="top" align="center">2.52 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;5</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.159</td>
<td valign="top" align="center">24.9</td>
<td valign="top" align="center">3.2</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">80</td>
<td valign="top" align="center">128</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.130</td>
<td valign="top" align="center">6.26 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;6</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.159</td>
<td valign="top" align="center">50.0</td>
<td valign="top" align="center">4.6</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">160</td>
<td valign="top" align="center">256</td>
<td valign="top" align="center">0.333</td>
<td valign="top" align="center">0.130</td>
<td valign="top" align="center">1.56 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;6</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.159</td>
<td valign="top" align="center">100.1</td>
<td valign="top" align="center">6.5</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">322</td>
<td valign="top" align="center">512</td>
<td valign="top" align="center">0.335</td>
<td valign="top" align="center">0.130</td>
<td valign="top" align="center">3.96 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;7</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.159</td>
<td valign="top" align="center">199.0</td>
<td valign="top" align="center">9.1</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">644</td>
<td valign="top" align="center">1,024</td>
<td valign="top" align="center">0.335</td>
<td valign="top" align="center">0.130</td>
<td valign="top" align="center">9.89 &#x000D7; 10<sup>&#x02212;8</sup></td>
<td valign="top" align="center">0.159</td>
<td valign="top" align="center">397.9</td>
<td valign="top" align="center">12.9</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The numerical solutions for &#x003C1;(<italic>r</italic>), <inline-formula><mml:math id="M158"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup><italic>r</italic></sup>(<italic>r</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M159"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>&#x003B8;</sup>(<italic>r</italic>) for resolutions <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, and 1,024 for D2Q21 lattice are presented in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figures 12A</xref>&#x02013;<xref ref-type="fig" rid="F12">C</xref>.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>Figure 12</label>
<caption><p>Circular Poiseuille flow, <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11, variable <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub>, D2Q21 lattice. <bold>(A)</bold> &#x003C1;(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11. <bold>(B)</bold> <inline-formula><mml:math id="M160"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup><italic>r</italic></sup>(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11. <bold>(C)</bold> <inline-formula><mml:math id="M161"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><sup>&#x003B8;</sup>(<italic>r</italic>) for <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 64, 128, 256, 512, 1,024 and <italic>NCR</italic> &#x0003D; 11.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-08-1066522-g0012.tif"/>
</fig>
<p>We again observe that the new fully curvilinear method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] using D2Q21 converges very well to the exact solutions Equations (28, 39, 47, 49) with the increase in resolution.</p>
<p>A somewhat high number of grid points (such as <italic>N</italic><sub><italic>r</italic></sub> &#x0003D; 512 and higher for the Circular Poiseuille problem considered above) was required to get sufficient accuracy for the curvilinear cases. We do not see this however as a major obstacle to the practical implementation of the new method. The observed high-resolution requirement is partially due to some imperfections in the boundary condition algorithm. This paper is the first to numerically establish that the current curvilinear LBM is able to recover the Navier-Stokes hydrodynamics asymptotically. How to improve the rate of convergence with a lower number of grid points is a research topic for the future.</p></sec></sec>
<sec sec-type="discussion" id="s4">
<title>4. Discussion</title>
<p>In this work, we have provided the first numerical tests of the novel volumetric curvilinear LBM method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. The accuracy and performance of the new method have been investigated and validated on a set of four 2D exactly solvable models: with and without the natural curvilinearity. The crucial importance of the isotropy requirement of at least 6th-order which requires at least D2Q21 lattice in 2D cases has also been demonstrated. We considered four 2-dimensional exactly solvable problems. For Cartesian lattice problems with possible grid compression, both D2Q9 and D2Q21 lattices give accurate results converging to the exact solutions for various values of <inline-formula><mml:math id="M131"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For truly curvilinear cases considered we have presented evidence that the 4th-order isotropy of D2Q9 is insufficient and the D2Q21 lattice with 6th-order isotropy is needed for convergence to the exact solution.</p>
<p>This illustration of the importance of moments&#x00027; isotropy is very important. As it was stated in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], a certain set of moment isotropy constraints and normalization conditions must be satisfied in order to correctly recover the full Navier-Stokes equations [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. In wide practical use are the small stencil length LBM lattices, such as D2Q9, largely due to their simplicity of implementation, specifically for the boundary conditions. However, as we discuss in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix A</xref>, D2Q9 lattice satisfies the requirements of moments&#x00027; isotropy only to the 4-th order. Only the D2Q21 lattice satisfies those conditions to the 6th-order.</p>
<p>The convergence to exact analytical solutions with the increase in resolution for various values of &#x003C4; we have obtained is quite good for all cases considered using the D2Q21 lattice. However, the simpler D2Q9 lattice can still be used only for Cartesian geometry cases with 1-dimensional grid compression. The curvilinear LBM method [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], although somewhat slower than the standard LBM method due to its higher mathematical complexity, still keeps all the advantages of the classical LBM method, such as intrinsic parallelism, applicability to complex physics cases (such as multi-phase flows, etc.), and no numerical diffusion at the advection stage.</p>
<p>In order to perform our studies we have developed the generalized LBM boundary conditions of periodicity, no-slip, and moving wall types for the fully curvilinear geometry. We have additionally proposed a &#x00022;no flow&#x00022; adjustment procedure which helps to compensate for the effects of analytical finite-difference approximation for generalized basis vectors used in Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
<p>We find our results to be very promising because, in our view, they open the much-needed way to expand the LBM method advantages to curvilinear geometries. The inability of the LBM method to adequately treat truly curvilinear cases and adaptive grids has been perceived as a weakness of LBM methods as compared to the classical finite-difference methods. In particular, such problems as adaptive grid compression into the boundary layer for high Reynolds number flows can possibly be addressed.</p>
<p>Much work remains to be done, such as studies of 3-dimensional flows, extension to turbulent flow, extensions to multi-phase and multi-component flows, development of higher-order LBM boundary conditions for curvilinear cases for lattices with wider stencils such as D2Q21, and many others.</p></sec>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/<xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Supplementary material</xref>, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p></sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>Based on the breakthrough theoretical work by HC (see: HC, Frontiers in Applied Mathematics and Statistics, 7:1&#x02013;11, June 2021). AC has implemented the proposed model in four two-dimensional curvilinear problems with exact analytical solutions. Three of these problems are well-known and one of them has the exact solution developed by him in the paper. Important additional theoretical, analytical, and numerical contributions are made by RZ and IS. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p></sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of interest</title>
<p>AC, IS, RZ, and HC are employed by Dassault Systemes.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s7">
<title>Publisher&#x00027;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s8">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2022.1066522/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2022.1066522/full#supplementary-material</ext-link></p>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_1.JPEG" id="SM2" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_2.JPEG" id="SM3" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_3.JPEG" id="SM4" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_4.JPEG" id="SM5" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_5.JPEG" id="SM6" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_6.JPEG" id="SM7" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_7.JPEG" id="SM8" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_8.JPEG" id="SM9" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_9.JPEG" id="SM10" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_10.JPEG" id="SM11" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_11.JPEG" id="SM12" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_12.JPEG" id="SM13" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_13.JPEG" id="SM14" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_14.JPEG" id="SM15" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_15.JPEG" id="SM16" mimetype="image/jpeg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hudong</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>Volumetric formulation of lattice Boltzmann method for fluid dynamics: basic concept</article-title>. <source>Phys Rev E</source>. (<year>1998</year>) <volume>58</volume>:<fpage>3955</fpage>&#x02013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.58.3955</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Filippova</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Hoch</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Molvig</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Shock</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Teixeira</surname> <given-names>C</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Grid refinement in lattice Boltzmann methods based on volumetric formulation</article-title>. <source>Physica A Stat Mechits Appl</source>. (<year>2006</year>) <volume>362</volume>:<fpage>158</fpage>&#x02013;<lpage>67</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2005.09.036</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Teixeira</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Molvig</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Realization of fluid boundary conditions via discrete Boltzmann dynamics</article-title>. <source>Int J Modern Phys C</source>. (<year>1998</year>) <volume>9</volume>:<fpage>1281</fpage>&#x02013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0129183198001151</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Volumetric lattice Boltzmann models in general curvilinear coordinates: theoretical formulation</article-title>. <source>Front Appl Math Stat</source>. (<year>2021</year>) <volume>7</volume>:<fpage>691582</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2021.691582</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>He</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Luo</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Dembo</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Some progress in lattice Boltzmann method, part 1. non-uniform mesh grids</article-title>. <source>J Comput Phys</source>. (<year>1996</year>) <volume>129</volume>:<fpage>357</fpage>&#x02013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jcph.1996.0255</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Barraza</surname> <given-names>JAR</given-names></name> <name><surname>Dieterding</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Towards a generalised Lattice-Boltzmann method for aerodynamic simulations</article-title>. <source>J Comput Sci</source>. (<year>2019</year>) <volume>45</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jocs.2020.101182</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Aris</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <source>Vectors, Tensors, and the Basic Equations of Fluid Mechanics</source>. <publisher-loc>Dover, MA</publisher-loc>: <publisher-name>Dover Publications</publisher-name> (<year>1962</year>).</citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mendoza</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Debus</surname> <given-names>JD</given-names></name> <name><surname>Succi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Herrmann</surname> <given-names>HJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Lattice kinetic scheme for generalized coordinates and curved spaces</article-title>. <source>Intl J Mod Phys C</source>. (<year>2014</year>) <volume>25</volume>:<fpage>1441001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0129183114410010</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Debus</surname> <given-names>JD</given-names></name> <name><surname>Mendoza</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Herrmann</surname> <given-names>HJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Dean instability in double-curved channels</article-title>. <source>Phys Rev E</source>. (<year>2014</year>) <volume>90</volume>:<fpage>053308</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.90.053308</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25493905</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Debus</surname> <given-names>JD</given-names></name> <name><surname>Mendoza</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Succi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Herrmann</surname> <given-names>HJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Poiseuille flow in curved spaces</article-title>. <source>Phys Rev E</source>. (<year>2016</year>) <volume>92</volume>:<fpage>043316</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.93.043316</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27176437</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Frisch</surname> <given-names>U</given-names></name> <name><surname>D&#x00027;Humieres</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Hasslacher</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Lallemand</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Pomeau</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Rivet</surname> <given-names>JP</given-names></name></person-group>. <article-title>Lattice gas hydrodynamics in two and three dimensions</article-title>. <source>Complex Syst</source>. (<year>1987</year>) <volume>1</volume>:<fpage>649</fpage>&#x02013;<lpage>707</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Martinez</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Matthaeus</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Lattice Boltzmann model for simulation of magnetohydrodynamics</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>1991</year>) <volume>67</volume>:<fpage>3776</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.67.3776</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10044823</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Matthaeus</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Recovery of the Navier-Stokes equations using a lattice-gas Boltzmann method</article-title>. <source>PhysRev A</source>. (<year>1992</year>) <volume>45</volume>:<fpage>5339</fpage>&#x02013;<lpage>42</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.45.R5339</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9907724</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Benzi</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Succi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Vergassola</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>The lattice Boltzmann equation: theory and applications</article-title>. <source>Phys Rep</source>. (<year>1992</year>) <volume>222</volume>:<fpage>145</fpage>&#x02013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0370-1573(92)90090-M</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Qian</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>D&#x00027;Humieres</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Lallemand</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Lattice BGK models for Navier-Stokes equation</article-title>. <source>Europhys Lett</source>. (<year>1992</year>) <volume>17</volume>:<fpage>479</fpage>&#x02013;<lpage>84</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/17/6/001</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Teixeira</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Molvig</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Digital physics approach to computational fluid dynamics: some basic theoretical features</article-title>. <source>Int J Modern Phys C</source>. (<year>1997</year>) <volume>8</volume>:<fpage>675</fpage>&#x02013;<lpage>84</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0129183197000576</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bhatnagar</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Gross</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Krook</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>A model for collision processes in gases. I. Small amplitude processes in charged and neutral one-component systems</article-title>. <source>Phys Rev</source>. (<year>1954</year>) <volume>94</volume>:<fpage>511</fpage>&#x02013;<lpage>25</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRev.94.511</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Batchelor</surname> <given-names>GK</given-names></name></person-group>. <source>An Introduction to Fluid Dynamics</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>1991</year>).</citation></ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Goldhirsch</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Orszag</surname> <given-names>SA</given-names></name></person-group>. <article-title>Discrete rotational symmetry, moment isotropy, and higher order lattice boltzmann models</article-title>. <source>J Sci Comp</source>. (<year>2008</year>) <volume>34</volume>:<fpage>87</fpage>&#x02013;<lpage>112</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10915-007-9159-3</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shan</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Yuan</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Kinetic theory representation of hydrodynamics: a way beyond the Navier-Stokes equation</article-title>. <source>J Fluid Mech</source>. (<year>2006</year>) <volume>550</volume>:<fpage>413</fpage>&#x02013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S0022112005008153</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Zhang</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Staroselsky</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Jhon</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Recovery of full rotational invariance in lattice boltzmann formulations for high knudsen number flows</article-title>. <source>Physica A Stat Mechits Appl</source>. (<year>2006</year>) <volume>362</volume>:<fpage>125</fpage>&#x02013;<lpage>31</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2005.09.008</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Shan</surname> <given-names>X</given-names></name></person-group>. <article-title>Fundamental conditions for N-th-order accurate lattice Boltzmann models</article-title>. <source>Physica D</source>. (<year>2007</year>) <volume>237</volume>:<fpage>2003</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physd.2007.11.010</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
</back>
</article>