气体动理学格式与多尺度流动模拟

介绍了气体动理学格式(GKS)的基本构造原理及其在两种典型多尺度流动模拟中的应用。GKS利用介观BGK方程的跨尺度演化解来构造网格界面上的数值通量,从而发展出能随计算网格尺度变化自动切换物理模型的多尺度方法。对湍流这种宏观多尺度流动,发展了高精度GKS方法并成功用于低雷诺数湍流的直接数值模拟;为实现对高雷诺数湍流的高效精细模拟,基于拓展BGK方程和已有的RANS,LES模型建立了新型多尺度模拟框架。对跨流域稀薄流动,发展了适合大规模并行的三维统一气体动理学格式(UGKS),并建立了适合轴对称稀薄流动的UGKS。研究表明,GKS在多尺度流动高效模拟中的优异性能,具有很好的发展前景。     

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。     

稀薄气体动力学现状

自从1946年钱学森的开创性文章发表以来,对稀薄气体动力学的兴趣主要在于高速稀薄气体对物体绕流的空气动力学问题。二十余年来这门学科发展很快,直到最近其发展势头仍未减弱,这点从历届稀薄气体动力学国际会议的情况也可以看出来(其中第七次会议文集未到,仅见会议较详介绍,第八次1972年夏刚刚开过)。会议文集      

粗糙颗粒动理学及稠密气固两相流动的数值模拟

考虑颗粒碰撞过程中摩擦作用,给出了粗糙颗粒碰撞动力学.引入颗粒相拟总温来表征颗粒平动和转动脉动能量的特征.基于气体分子运动论,建立颗粒碰撞中平动和旋转共同作用的粗糙颗粒动理学,给出了颗粒相压力和黏度等输运参数计算模型.运用基于颗粒动理学的欧拉-欧拉气固两相流模型,数值模拟了流化床内气体颗粒两相流动特性,分析了颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响.模拟得到的流化床内径向颗粒浓度和提升管内颗粒轴向速度与他人实验结果相吻合.模拟结果表明随着颗粒浓度的增加,颗粒相压力和能量耗散逐渐增加,而颗粒拟总温先增加后下降.随着颗粒粗糙度系数的增加,床内平均颗粒相拟总温和能量耗散增加,表明颗粒旋转产生的摩擦将导致颗粒旋转脉动能量的改变,影响床内气体-颗粒两相宏观流动特性.      

稀薄气体动力学: 进展与应用

简要回顾了稀薄气体动力学的发展历程; 重点介绍了该领域最近二三十年的主要进展, 这突出表现在分子模拟方法(DSMC 方法、信息保存方法等) 的迅速发展与成功应用; 概述了航天工业、真空技术、微机电系统等尖端技术中的稀薄气流问题, 以及最近几届国际稀薄气体动力学会议的主题. 在此基础上指出了学科前沿问题, 以及几个与实际应用有关的重大问题, 如过渡流区高超声速三维非平衡流场的精细预测和实验验证、热层大气的时空演化规律与探测、以气体为介质的微机电系统设计与优化、真空环境下原子水平的材料制备工艺的定量设计.     

第20届国际稀薄气体动力学会议(RGD-20)

第２０届国际稀薄气体动力学会议（ＲＧＤ┐２０）（１９９６年８月１９—２３日,北京）第２０届国际稀薄气体动力学会议（２０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＲａｒｅｆｉｅｄＧａｓＤｙｎａｍ－ｉｃｓ）于１９９６年８月１９日至２３日在中国北...      

等离子体激励气动力学探索与展望

等离子体激励气动力学是研究等离子体激励与流动相互作用下, 绕流物体受力和流动特性以及管道内部流动规律的科学, 属于空气动力学、气体动力学与等离子体动力学交叉前沿领域. 等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化, 对气流施加的一种可控扰动. 局域、非定常等离子体激励作用下, 气流运动状态会发生显著变化, 进而实现气动性能的提升. 国际上对介质阻挡放电等离子体激励、等离子体合成射流激励及其调控附面层、分离流动、含激波流动等开展了大量研究. 等离子体激励调控气流呈现显著的频率耦合效应, 等离子体冲击流动控制是提升调控效果的重要途径. 发展高效能等离子体激励方法, 通过等离子体激励与气流耦合, 激发和利用气流不稳定性, 揭示耦合机理、提升调控效果, 是等离子体激励气动力学未来的发展方向.      

基于气液相界面捕捉的统一气体动理学格式

气液相界面运动的研究无论是在科学还是工程领域都是非常重要的. 其中, 非平衡流动的计算尤其受到关注. 基于此, 我们构造了捕捉气液相界面的统一气体动理学格式. 由于统一气体动理学格式将自由输运和粒子碰撞耦合起来更新宏观物理量和微观分布函数, 故而可以求解非平衡流动. 具体思路是, 通过将范德瓦尔斯状态方程所表达的非理想气体效应引入统一气体动理学格式之中来捕捉气液相界面, 两相的分离与共存通过范德瓦尔斯状态方程描述. 由于流体在椭圆区域是不稳定的, 因此气液相界面可以通过蒸发和凝结过程自动捕捉. 如此, 一个锋锐的相界面便可以通过数值耗散和相变而得到. 利用该方法得到麦克斯韦等面积律(Maxwell construction)对应的数值解, 并与其相应的理论解相比较, 二者符合良好. 而后, 通过对范德瓦尔斯状态方程所描述的液滴表面张力进行数值计算, 验证了Laplace定理. 此外, 通过模拟两个液滴的碰撞融合过程, 进一步证明了该格式的有效性. 但是, 由于范德瓦尔斯状态方程的特性, 其所构造的格式仅适用于液/气两相密度比小于5的情况.      

气体动理学格式研究进展

介绍了近年来气体动理学格式(gas-kinetic scheme, GKS, 亦简称BGK 格式) 的主要研究进展, 重点是高阶精度动理学格式及适合从连续流到稀薄流全流域的统一动理学格式. 通过对速度分布函数的高阶展开和对初值的高阶重构, 构造了时间和空间均为三阶精度的气体动理学格式. 研究表明, 相比于传统的基于Riemann 解的高阶格式, 新格式不仅考虑了网格单元界面上物理量的高阶重构, 而且在初始场的演化阶段耦合了流体的对流和黏性扩散, 也能够保证解的高阶精度. 该研究为高精度计算流体力学(computatial uiddymamics, CFD) 格式的建立提供了一条新的途径. 通过分子离散速度空间直接求解Boltzmann 模型方程,在每个时间步长内将宏观量的更新和微观气体分布函数的更新紧密地耦合在一起, 建立了适合任意Knudsen(kn) 数的统一格式, 相比于已有的直接离散格式具有更高的求解效率. 最后, 本文还讨论了合理的物理模型对数值方法的重要性. 气体动理学方法的良好性能来自于Boltzmann 模型方程对计算网格单元界面上初始间断的时间演化的准确描述. 气体自由运动与碰撞过程的耦合是十分必要的. 通过分析数值激波层内的耗散机制,我们认识到采用Euler 方程的精确Riemann 解作为现代可压缩CFD 方法的基础具有根本的缺陷, 高马赫数下的激波失稳现象不可避免. 气体动理学格式为构造数值激波结构提供了一个重要的可供参考的物理机制.      

基于气液相界面捕捉的统一气体动理学格式

气液相界面运动的研究无论是在科学还是工程领域都是非常重要的.其中,非平衡流动的计算尤其受到关注.基于此,我们构造了捕捉气液相界面的统一气体动理学格式.由于统一气体动理学格式将自由输运和粒子碰撞耦合起来更新宏观物理量和微观分布函数,故而可以求解非平衡流动.具体思路是,通过将范德瓦尔斯状态方程所表达的非理想气体效应引入统一气体动理学格式之中来捕捉气液相界面,两相的分离与共存通过范德瓦尔斯状态方程描述.由于流体在椭圆区域是不稳定的,因此气液相界面可以通过蒸发和凝结过程自动捕捉.如此,一个锋锐的相界面便可以通过数值耗散和相变而得到.利用该方法得到麦克斯韦等面积律(Maxwell construction)对应的数值解,并与其相应的理论解相比较,二者符合良好.而后,通过对范德瓦尔斯状态方程所描述的液滴表面张力进行数值计算,验证了Laplace定理.此外,通过模拟两个液滴的碰撞融合过程,进一步证明了该格式的有效性.但是,由于范德瓦尔斯状态方程的特性,其所构造的格式仅适用于液/气两相密度比小于5的情况.