从分子运动论看连续介质气体动力学和稀薄气体的新特性

首先，综述了根据分子运动论对连续介质极限气体行为的最近研究．它表明：经典的连续气体动力学是不完整的；用分子运动论分析在连续介质极限时一些重要情况得到气体的正确行为是必不可免的．即，除了特殊的情况，甚至在平均自由程变为零的极限下热传导方程不能描述静止气体温度场；文中给出了根据分子运动论导出的温度场的正确方程组和边界条件及其具体应用．还用同轴圆筒间的包含气体凝聚相的气体流场的渐近分析，论证了经典连续气体动力学方程组的不完整性．其次，综述了最近几年发现的稀薄气体流动的新特性．如在凸体周围速度分布函数的不连续性及它与Ｓ层的关系，加热平板边缘周围引起的流动，有周期性温度分布的管道内产生的单方向流动．     

关于稀薄气体动力学的发展方向

一般的流体力学、空气动力学、弹性力学等都是建立在连续介质概念的基础上,不研究构成连续介质的微观粒子的运动状态。随着高空高速飞行、宇航事业的发展,对空间科学的研究以及真空技术的发展,稀薄气体动力学得到了迅速发展。在数百公里以上的高层大气中,气体分子的平均自由程比飞行器的尺寸大得多。在广阔的日地空间里,在无限的宇宙空间中,大多数物质呈稀薄等离子体状态。有时,在一立方公里的空间内只有几十个分子在运动。用一般连续介质概念已不能描述这种运动状态,而必须从微观分析出发,也就是说,要用分子运动论的的方法研究气体的运动状态。      

掺氢可燃气体燃爆特性研究进展

随着全球新能源产业的快速发展，氢能因其高效、无污染、可持续的特点而备受关注，但由于氢气的固有特性很难保持其安全性，因此安全问题一直是氢能利用的重中之重。本文以氢气的安全利用为背景对掺氢可燃气体燃爆特性的研究进展进行了系统总结，首先介绍了掺氢可燃气体的燃爆机理，然后讨论其最小点火能、燃爆极限及其火焰行为特性，最后强调了掺氢可燃气体在能源利用中的重要意义及未来的发展方向。     

填埋气体迁移气-热-力耦合动力学模型的研究

基于连续介质力学—势弹性力学原理，运用多场耦合理论建立了填理场中可压缩垃圾气体迁移耦合的动力学模型，并采用摄动法及积分变换法对该强非线性数学模型进行拟解析求解。通过算例对比分析，探讨了耦侵动力场中气压、温度和应力变化对可压缩气体迁移的影响，得出了垃圾气体迁移过程中的孔隙压力分布规律。结果表明，三场耦合作用与非耦合作用相对差别较大，耦合效应不能忽略。这为定量化研究垃圾气体在填埋场中的扩散状况以及污染气体的排放和收集、防止二次污染提供了可靠的理论依据。     

基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

模型方程出发,研究确立含流态控制参数可描述不同流域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程; 研究发展气体运动论离散速度坐标法, 借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式, 结合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术, 发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式; 研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法, 由此提出一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法. 通过对不同Knudsen数下一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明, 计算结果与有关实验数据及其它途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好, 证实气体运动论统一算法求解各流域气体流动问题的可行性. 尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计, 基于对球体绕流及类``神舟'返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算, 显示出统一算法具有很好的并行可扩展性, 可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向. 通过将气体运动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究, 已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数值算法; 通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟, 证实该算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力, 可望发展起基于Boltzmann模型方程能可靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径.      

含尘气体中的非定常激波

对含尘气体中非定常激波进行了实验研究和数值模拟。实验在垂直两相激波管中实现。气体与含尘气体之间分界平面的形成以及分界面处粉尘浓度的瞬时测定为实验研究提供了有效的手段。在双流体模型基础上，应用时间分裂法，将ＴＶＤ格式和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式分别应用于气相和颗粒相方程，模拟了激波与含尘气体相互作用现象，讨论了含尘气体物理参数对激波传播行为的影响。计算结果与实验现象符合较好。     

湍流理论基本思想发展

长期以来湍流物理性质的研究未得到物理学家的应有的注意[1]。准连续介质(液体,稠密气体,稠密等离子体、弥散系统)的湍流流动的特征,是某种有秩序的平均流动内无秩序的宏观混乱运动。因此,就这种现象的实质来说,湍流理论应当是统计的理沦,于是人们在这里便不期而然地想到同气体分子运动论的类比。在上世纪末这种类比是十分自然的,而实际上,在O.Reynolds[2]的著作中,后来20世纪在L.Prandtl[2]及其他许多研究工作者的许多著作中,都已经利用了这种类比.      

高温高压气体在低含水率介质中迁移的数值模拟

针对气液两相非等温渗流模型高度非线性的特点,发展了适宜的数值离散方法。根据相态转换准则和控制方程的性质,采用最低饱和度法简化算法。空间离散方面,使用有限体积法;时间离散方面,设计了一套包含合理求解顺序的Picard迭代法,解决了方程组强耦合的问题。利用上述数值方法对高温高压气体的迁移行为进行数值模拟,证明了气体在低含水率介质和等效孔隙度的干燥介质内的运动基本一致,并分析了空腔内的气液相态转变过程。在此基础上,研究了多孔介质孔隙度和渗透率对气体压强演化和示踪气体迁移的影响。研究表明,孔隙度越小（相同渗透率）、渗透率越高（相同孔隙度）,示踪气体的迁移距离越远,并给出了估算不同孔隙度和渗透率下迁移距离的半经验公式。     

裂缝形态影响下注热煤体升温及气体产出规律

为研究裂缝形态对注热作用下煤样温度变化情况以及对煤中气体产出规律的影响，基于PCAS软件对裂缝形态进行了定性及定量分析，利用自主研制的裂缝煤样注热解吸渗流试验装置开展了室温条件下及注热条件下的煤样气体产出试验，并对注热作用过程中煤样的温度进行实时监测。研究结果表明，煤样的裂缝形态越复杂，煤样升温幅度越大且达到的稳定温度越高，煤样升温越快且温度上升的持续时间越久；平行于流体流动方向的单一裂缝一定时，垂直于流体流动方向的裂缝数目越多，裂缝形态越复杂，对室温条件下及注热条件下煤样气体产出的促进作用越强；注热作用下煤样温度与裂缝分形维数之间呈指数型拟合关系，向裂缝煤样中注热水，可以提高煤样温度，进而促进煤样中气体的产出，使气体产出量增加，且最大产出量可达未注热时量值的1.74倍；向无缝煤样中注入热水后，气体的产出总量较未注热时减少，而含缝煤样注热水后的气体产出总量较无缝时增加，说明裂缝的存在一定程度上可以削弱水锁效应带来的影响；气体产出总量与煤样温度及裂缝分形维数之间呈现三维曲面拟合关系，煤样的气体产出总量随着裂缝分形维数的增大及煤样温度的上升而增加。     

岩石中化学爆炸气体渗漏行为的实验研究

通过小药量化爆模拟实验,研究了岩石中满足缩比关系的不同药量化学爆炸一氧化碳渗漏时间、渗漏份额与药量的关系。研究结果表明:相同介质中缩比爆炸实验气体渗漏时间大致与药量的三分之二次方成正比,渗漏停止时间也大致与药量的三分之二次方成正比;封闭空间内化学爆炸在爆室内产生的高温能够使爆室内一些物质分解产生非冷凝气体;对于不同药量的缩比实验,小药量实验的气体渗漏份额不小于大药量实验的气体渗漏份额。根据此研究结果,可以用小药量地下爆炸气体渗漏行为的监测结果预估大药量实验的气体渗漏行为。     

可压缩气体定常非Darcy渗流的流动分析及其应用

气体通过多孔介质的非Darcy流动具有广泛的工程应用背景，因此对多孔介质中的气体非Darcy流动进行流动分析有着非常重要的意义。然而，在通常的研究中，一般都将气体考虑为不可压缩流体，很少考虑气体的压缩性。对于高压气体以较高的速度通过多孔介质的情况，在进行流动分析时，不仅要考虑非Darcy效应，还必须考虑气体的压缩性。在本文中，对可压缩气体通过多孔介质的定常非Darcy流动进行了一维流动分析，得出了多孔介质中气体的压力分布和速度分布。还进一步给出了在高压差和高流速情况下，测定多孔介质材料渗透率和惯性系数的方法，以及多孔介质材料前后压力差与材料厚度的比Δp/L和材料有气流速度u1的解析关系。     

收敛柱激波在粉尘气体中的传播

取稀颗粒群气固两相耦合的双流体简化模型，采用高解数值方法研究了收敛柱激波在粉尘气体中的传播和波后流场特性。通过与纯气体情况比较，揭示了固体颗粒出现对收敛柱激波传播特性的影响。     

气体运动论数值算法在微槽道流中的应用研究

简要介绍基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法基本思想及其对二维微槽道流动问题数值计算的推广，并阐述适用于微尺度流动问题的气体运动论边界条件数值处理方法。通过对压力驱动的二维微槽道流动问题进行数值模拟，将不同Knudsen数下的微槽道流计算结果分别与有关DSMC模拟值和经滑移流理论修正的N—S方程解进行比较分析，表明基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法对微槽道气体流动问题具有很好的模拟能力。     

考虑稠密气体效应的微尺度气体轴承模拟

当气体流动区的局部压力升高到一定程度时,气体稠密效应对其输运特性的影响不可忽略,其影响可以用Enskog理论来描述。利用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法以及考虑气体分子稠密效应的衍生方法对气体粘度随特征尺度的变化规律和气体粘度随密度变化的规律进行了计算分析,在此基础上研究了考虑稠密效应的微尺度气体轴承的承载能力。计算结果表明,稠密效应在抵消掉气体稀薄效应的同时还改变了输运系数和气体薄膜的润滑特性,提高了气体轴承的承载能力。     

认识稀薄气体动力学

以通俗易懂的方式介绍了空气动力学当气体间断分子效应显著时发展起来的特殊分文——稀薄气体动力学、讨论了非平衡现象与稀薄气体动力学的关系．通过与8速度气体模型的间断Boltzmann方程的对比，解释了Boltzmann方程碰撞项的物理意义和数学困难，简要综述了其一般解法、讨论了分子在物体表面的反射和问题的边界条件，着重介绍了直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和为克服低速稀薄流动(如MEMS中流动)中模拟困难的信息保存(IP)方法。     

气流化学激光理论研究的若干进展

以超声速HF/DF化学激光和超声速氧碘化学激光(COIL)为代表的气流化学激光(GCL), 因其科学意义、军事和工业应用价值，近30多年来得到了突飞猛进的发展.由于超声速膨胀混合流在控制强放热反应动力学和热力学过程方面的特殊本领，使气体动力学在高功率GCL的发展中起着关键性的作用.高功率GCL性能的分析计算自然也沿用非平衡气体动力学的方法，假定气流(包括激光能级分子和原子)为连续介质，谱线为均匀加宽，并联立求解气体动力学方程组，增益动力学和基于光强迭加原则的辐射传输诸方程，称为速率方程(RE)模型.20世纪70年代后期又提出和发展了GCL性能计算的半气体动理学(SGK)模型，在SGK模型中仍假定气流为连续介质，但同时考虑了激光能级分子微观热运动的贡献，谱线加宽的非均匀加宽效应，并用双参数摄动法求解激光能级分子速度分布函数方程组(即广义Boltzmann方程组), 因此SGK模型是一个同时考虑宏观和微观尺度运动的跨尺度模型.本文综述RE模型和SGK模型以及用它们预测GCL性能的若干研究进展，同时简评等增益模型和腔模(模图样)理论研究的一些进展.最后从气体动力学的角度提出一些值得 进一步研究的课题.     

稀薄流到连续流的气体运动论模型方程算法研究

通过引入碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数对BGK模型方程进行修正，确定含流态控制参数可描述不同流域气体流动特性的气体分子速度分布函数的简化控制方程。发展和应用离散速度坐标法于气体分子速度空间，利用一套在物理空间和时间上连续而速度空间离散的分布函数来代替原分布函数对速度空间的连续依赖性。基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散差分格式，建立直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值方法。推广应用改进的Gauss-Hermite无穷积分法和华罗庚－王元提出的以单和逼近重积分的黄金分割数论积分方法等，对离散速度空间进行宏观取矩获取物理空间各点的气体流动参数，由此发展一套从稀薄流到连续流各流域统一的气体运动论数值算法。通过对不同Knudsen数下一维激波管问题、二维圆柱绕流和三维球体绕流的初步数值实验表明文中发展的数值算法是可行的。     

组成式气体炮

利用平板碰撞技术，右在靶中产生强度为几十至几百吉帕的冲击波，飞板的加速通常用气体炮驱动。本文介绍了ＬＳＤ实验室正在执行的气体炮改造计划设计方案。为降低改造费用和充分利用原有的设备条件，提出了“积木式”设计案，由这种设计方案建成的组合式气体炮系列，将具有４０－１００００ｍ／ｓ的发射能力，并包含有使弹丸不产生随机性转动的剪式气体炮和具有发射较重弹丸能力的火炮。这些改造计划完成以后，将使冲击动力学的研究     

地下爆炸气体输运的一种双孔隙度数学模型

考虑气体在压力驱动下的渗透、气体和岩体的热传导以及气体的扩散,建立了用于模拟地下爆炸气体输运的二维轴对称双孔隙度双渗透率数学模型,并编制了数值模拟程序;研究了参数在取值范围内变化对计算结果的影响。结果显示：泄漏到地表的气体随着裂隙区域圆心角的增大而先增大后减小,随裂隙渗透率的增大而增大,随介质孔隙度和孔隙渗透率的增大而减小。用该模型对一次砂砾岩中地下爆炸实验气体的泄漏行为进行了数值模拟。将数值模拟结果与气体泄漏实测结果进行对比,反推出当地介质的裂隙渗透率在4×10^-11 m2～5×10^-11 m2之间。利用反推得到的介质参数,可以对同类介质中地下爆炸气体泄漏行为进行预测。     

渗流气体滑脱现象与渗透率变化的关系

气体在致密多孔介质中低速渗流时存在着因气体分子碰撞岩壁而引起的滑脱现象，它由介质的孔隙结构和气体分子的平均自由程共同决定。该现象使气测渗透率大于孔隙介质的绝对渗透率。介质中气体的低速渗流为黏滞流与滑脱流组成，各自所占比例与气体分子按自由程的分布有关。理论计算得到了低速气体渗流的气测渗透率Kg与绝对渗透率K0比值的关系式，实验结果与理论分析吻合。