统一气体动理学方法研究进展
发布时间：2021-02-21 22:44
在临近空间高超声速飞行器气动载荷、航天飞行器变轨/调姿、微尺度元器件传质/传热等科学和工程实践中,存在着大量的时序多流域（多尺度）流动问题以及位于单一流场中的复杂多流域问题（局部稀薄问题）,对数值预测工作提出挑战.因此,近年来从介观气体动理学基础上发展出了一大类将连续流与稀薄流进行统一计算的高效数值方法,包括确定论形式的UGKS, GKUA和DUGKS方法,以及粒子形式的USP-BGK和UGKWP方法.文章围绕着确定论和统计粒子两类统一方法的最新研究进展进行回顾和分析,重点关注在每种方法中全流域统一性质的来源与实现方式、目前已取得的关键进展以及该方法的扩展性和应用价值.
【文章来源】：气体物理. 2019,4(04)
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
天宫的双舱结构在海拔62km处GKUA(c)
含分子平动、转动自由度的UGKS方法［25-26］，对氮气激波结构、氮气高超声速钝头体绕流，Apollo返回舱再入大气层等算例进行了成功的模拟．在此基础上西北工业大学张贺［27］，Wang等［28］进一步考虑了具有离散能级的分子振动自由度，构造了包含分子平动、转动、振动自由度的碰撞模型，并将其引入UGKS方法．由于对分子振动能激发描述准确，该方法对真实气体的高温非平衡流动进行了成功的模拟(图2为文献［27］中对返回舱温度场的模拟)．图2Apollo返回舱再入大气层的UGKS模拟(温度云图)［27］Fig．2UGKSsimulationofApollore-entrycapsule(temperaturecontours)［27］在湍流模拟方面，清华大学Li等利用UGKS优秀的多尺度性质，以直接数值模拟的方式，探索了流动非平衡性对湍流的影响［29］．研究发现相对于UGKS直接数值模拟方法，粗粒度的N-S直接数值模拟方法不仅在湍动能耗散曲线上与UGKS有所出入，而且各时刻流场能谱曲线也存在着较大差别，并指出这主要是由N-S方程不能准确捕捉非平衡效应所致．在多物理流动模拟方面，华中科技大学Chen等将运动网格技术应用到UGKS中［30-31］，对Crookes辐射计(见图3)、高超声速椭圆绕流、稀薄环境喷流运动(见图4)等进行了模拟，展示了UGKS强大的跨流域多尺度计算能力．香港科技大学Wang等［32］、北京大学Xiao等［33］将BGK型的气体混合模型引入到UGKS中，将UGKS拓展到多组分非平衡流动模拟，并对多组分激波结构、微槽道流等成功进行了计算．香港科技大学Liu
气体物理2019年第4卷气体-颗粒多相系统模拟方法，对气体中裹挟固体小颗粒的流动问题如风沙激波管、颗粒射流交叉/壁面反射(见图5)、激波扫过颗粒床等进行了较好模拟．Xiao等提出有势力作用下满足平衡特性的UGKS方法［35-36］，用UGKS对重力作用下流动进行了系统模拟．此外，UGKS的统一建模思想还拓展应用到了各类输运问题和各类动力学方程中，构造出了多种物理问题的多尺度数值计算格式，例如光子辐射输运［37-40］、等离子体［41-43］等．图3Crookes辐射计的动网格UGKS模拟(温度云图)［30］Fig．3UGKSsimulationofCrookesradiometerwithmovingmesh(temperaturecontours)［30］图4稀薄环境喷管流动问题的动网格UGKS模拟(流线和压强云图)［31］Fig．4UGKSsimulationofnozzleflowinrarefiedenvironmentwithmovingmeshes(streamlinesandpressurecontours)［31］图5颗粒射流交叉/壁面反射的UGKS模拟［34］Fig．5IntersectionandwallreflectionofparticleflowpredictedbyUGKS［34］与传统CFD方法相比，UGKS方法使用了额外的离散速度空间，因而相应的加速收敛技术尤为重要．在隐格式构造方面，中国空气动力研究与发展中心毛枚良研究员等发展了UGKS的隐式计算方法［44］，对隐式模型方程中平衡态采用显式近似处理，实现简单，在大Kn数流动模拟中取得了很好的加速效果．更进一步，香港科技大学Zhu等提出宏观量预估的思路［45-46］，利用UGKS提供的宏观量残差代入宏观隐式控制方程中求解得到预估的宏观量，从而获得预估的平衡态代入
【参考文献】：
期刊论文
[1]A unified gas-kinetic scheme for multiscale and multicomponent flow transport[J]. Tianbai XIAO,Kun XU,Qingdong CAI. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2019(03)
[2]气体动理学统一算法的隐式方法研究[J]. 毛枚良,江定武,李锦,邓小刚. 力学学报. 2015(05)
[3]The study of sound wave propagation in rarefied gases using unified gas-kinetic scheme[J]. Rui-Jie Wang Kun Xu Nano Science and Technology Program Hong Kong University of Science and Technology Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China Mathematics Department Hong Kong University of Science and Technology Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China. Acta Mechanica Sinica. 2012(04)
[4]多相空间数值模拟并行化研究[J]. 陆林生,董超群,李志辉. 计算机科学. 2003(03)
[5]稀薄流到连续流的气体运动论统一数值算法初步研究[J]. 李志辉,张涵信. 空气动力学学报. 2000(03)
博士论文
[1]基于模型方程解析解的气体动理学算法研究[D]. 江定武.中国空气动力研究与发展中心 2016
[2]统一气体动理论格式研究[D]. 刘沙.西北工业大学 2015
本文编号：3045030
【文章来源】：气体物理. 2019,4(04)
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
天宫的双舱结构在海拔62km处GKUA(c)
含分子平动、转动自由度的UGKS方法［25-26］，对氮气激波结构、氮气高超声速钝头体绕流，Apollo返回舱再入大气层等算例进行了成功的模拟．在此基础上西北工业大学张贺［27］，Wang等［28］进一步考虑了具有离散能级的分子振动自由度，构造了包含分子平动、转动、振动自由度的碰撞模型，并将其引入UGKS方法．由于对分子振动能激发描述准确，该方法对真实气体的高温非平衡流动进行了成功的模拟(图2为文献［27］中对返回舱温度场的模拟)．图2Apollo返回舱再入大气层的UGKS模拟(温度云图)［27］Fig．2UGKSsimulationofApollore-entrycapsule(temperaturecontours)［27］在湍流模拟方面，清华大学Li等利用UGKS优秀的多尺度性质，以直接数值模拟的方式，探索了流动非平衡性对湍流的影响［29］．研究发现相对于UGKS直接数值模拟方法，粗粒度的N-S直接数值模拟方法不仅在湍动能耗散曲线上与UGKS有所出入，而且各时刻流场能谱曲线也存在着较大差别，并指出这主要是由N-S方程不能准确捕捉非平衡效应所致．在多物理流动模拟方面，华中科技大学Chen等将运动网格技术应用到UGKS中［30-31］，对Crookes辐射计(见图3)、高超声速椭圆绕流、稀薄环境喷流运动(见图4)等进行了模拟，展示了UGKS强大的跨流域多尺度计算能力．香港科技大学Wang等［32］、北京大学Xiao等［33］将BGK型的气体混合模型引入到UGKS中，将UGKS拓展到多组分非平衡流动模拟，并对多组分激波结构、微槽道流等成功进行了计算．香港科技大学Liu
气体物理2019年第4卷气体-颗粒多相系统模拟方法，对气体中裹挟固体小颗粒的流动问题如风沙激波管、颗粒射流交叉/壁面反射(见图5)、激波扫过颗粒床等进行了较好模拟．Xiao等提出有势力作用下满足平衡特性的UGKS方法［35-36］，用UGKS对重力作用下流动进行了系统模拟．此外，UGKS的统一建模思想还拓展应用到了各类输运问题和各类动力学方程中，构造出了多种物理问题的多尺度数值计算格式，例如光子辐射输运［37-40］、等离子体［41-43］等．图3Crookes辐射计的动网格UGKS模拟(温度云图)［30］Fig．3UGKSsimulationofCrookesradiometerwithmovingmesh(temperaturecontours)［30］图4稀薄环境喷管流动问题的动网格UGKS模拟(流线和压强云图)［31］Fig．4UGKSsimulationofnozzleflowinrarefiedenvironmentwithmovingmeshes(streamlinesandpressurecontours)［31］图5颗粒射流交叉/壁面反射的UGKS模拟［34］Fig．5IntersectionandwallreflectionofparticleflowpredictedbyUGKS［34］与传统CFD方法相比，UGKS方法使用了额外的离散速度空间，因而相应的加速收敛技术尤为重要．在隐格式构造方面，中国空气动力研究与发展中心毛枚良研究员等发展了UGKS的隐式计算方法［44］，对隐式模型方程中平衡态采用显式近似处理，实现简单，在大Kn数流动模拟中取得了很好的加速效果．更进一步，香港科技大学Zhu等提出宏观量预估的思路［45-46］，利用UGKS提供的宏观量残差代入宏观隐式控制方程中求解得到预估的宏观量，从而获得预估的平衡态代入
【参考文献】：
期刊论文
[1]A unified gas-kinetic scheme for multiscale and multicomponent flow transport[J]. Tianbai XIAO,Kun XU,Qingdong CAI. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2019(03)
[2]气体动理学统一算法的隐式方法研究[J]. 毛枚良,江定武,李锦,邓小刚. 力学学报. 2015(05)
[3]The study of sound wave propagation in rarefied gases using unified gas-kinetic scheme[J]. Rui-Jie Wang Kun Xu Nano Science and Technology Program Hong Kong University of Science and Technology Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China Mathematics Department Hong Kong University of Science and Technology Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China. Acta Mechanica Sinica. 2012(04)
[4]多相空间数值模拟并行化研究[J]. 陆林生,董超群,李志辉. 计算机科学. 2003(03)
[5]稀薄流到连续流的气体运动论统一数值算法初步研究[J]. 李志辉,张涵信. 空气动力学学报. 2000(03)
博士论文
[1]基于模型方程解析解的气体动理学算法研究[D]. 江定武.中国空气动力研究与发展中心 2016
[2]统一气体动理论格式研究[D]. 刘沙.西北工业大学 2015
本文编号：3045030
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