第24届国际稀薄气体动力学会议

第24届国际稀薄气体动力学会议于2004年7月11日至16日在意大利巴里市召开.会议主席为巴里大学化学系主任马里奥·卡彼特利教授.会议讨论的专题有:(1)Boltz-mann和相关方程;(2)内部流动和真空系统;(3)动理学与输运理论;(4)Monte-Carlo方法与数值解;(5)稀薄射流和羽流;(6)多粒子动力学;(7)态间动理学;(8)粒状结构气体;(9)等离子体中的输运;(10)稀薄等离子体;(11)微流动问题;(12)稀薄气体动力学中的实验;(13)气相分子碰撞     

MEMS稀薄气体内部流动模拟中的信息保存法

首先综述了处理低速稀薄气体流动的一些方法: 线化Boltzmann方程方法、Lattice Boltzmann方法(LBM)、加滑移边界的Navier-Stokes方程、以及DSMC方法, 并讨论它们在模拟MEMS中过渡领域低速流动特别是内部流动所遇到的困难, 其中表明了LBM现有方案不适合模拟过渡领域中的MEMS流动问题. 信息保存(IP)法通过保存一个模拟分子所代表的大量分子的平均信息,克服了流速低使得信息噪声比小而引起统计模拟的困难. 本文给出了方法的一些理论证实. MEMS中内部流动的特点, 即流速低和大的长宽比的特点, 引起椭圆性问题, 即出入口边界条件相互影响需要协调的问题. 通过对(长约几千微米的)微槽道流动应用IP方法的算例,演示了采用守恒形式的质量守恒方程和超松弛法可成功地解决这一问题. 借助同样的方法,用IP方法求解了真实长度(1\,000\,$\mu$m)硬盘驱动器读写头在过渡领域的薄膜支撑问题, 压力分布与具有严格气体动理论基础的概括化Reynolds方程完全相符, 而在此之前, DSMC方法只对短的读写头(5\,$\mu$m)与Reynolds方程做了校验. 作者建议将原来用于求解读写头润滑问题的Reynolds方程退化来求解过渡领域中的微槽道流动问题, 从而提供了一个有严格气体动理论品性的检验方法来验证求解MEMS内部流动的各种方法.      

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。     

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.     

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.      

开式空腔流动的蒙特卡罗直接模拟

蒙特卡罗直接模拟(Direct Simulation Monte-Carlo)方法是一种基于分子动力论的随机性数值模拟方法，它在各类稀薄气体流动模拟中得到了广泛应用。本文首先讨论了DSMC方法的基本原理，引用文献结果论述了DSMC方法与Boltzmann方程的内在一致性，采用DSMC方法从分子运动论层次对过渡区开式空腔流动进行精细模拟，再现空腔内旋涡的形成及发展过程，了解复杂流场的流场特性。模拟和分析了空腔的形状(展弦比)、壁温以及Knudsen数(稀薄性)等因素对空腔内流动和旋涡结构的影响。研究表明，空腔的展弦比、壁面温度以及流动Knudsen数等因素对空腔内旋涡的大小、形状、位置、个数都有极大的影响，应用DSMC方法可以真实再现稀薄条件下的开式空腔流动。     

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．     

气体与表面相互作用——最新的观察与解释

在过去十年内，随着计算机的广泛使用和性能的显著提高，稀薄气体动力学研究的课题更加充实丰富，在实验方法和仪器设备方面也有重要进展．本文第一部分叙述粒子 表面动力学的最新研究进展，其中发现选定状态的离子的速度和转动能是入射束的离开方向和参数的函数．最近，与实验一起进行了大量计算机模拟，表明二者相结合的研究是很有益的．在束流实验中，所产生的散射粒子的速度分布和密度与数值模拟结果符合得很好．第二部分介绍了更直接地与非常高的大气层中的飞行和测量相联系的气体 壁面相互作用的研究．本节从考察一些年前完成的离子束与表面相互作用开始．它提供了很有参考意义的与现代研究结果的比较，并给出了有用的标准．本文接下去探讨了“火星探索者”外形，它在过去几年内一直是一些风洞和计算研究的课题．对Ｎａｖｉｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ方程和ＤＳＭＣ计算结果进行了有趣的比较     

微尺度气体流动

了解微尺度气体流动特点是微机电系统设计和优化的基础.有关的研究可以上溯到20世纪初Knudsen的平面槽道流动质量流量的测量和Millikan的小球阻力系数的测量,实验结果揭示了稀薄气体效应即尺度效应对气体运动的重要影响.由于流动特征长度很小,微尺度气流经常处于滑流区甚至过渡领域,流动的相似参数为Knudsen数和Mach数.因此可以考虑利用相似准则,通过增大几何尺寸、减小压力的途径,解决微机电系统实验观测遇到的困难.为解决直接模拟Monte Carlo方法分析微机电系统中低速稀薄气流遇到的统计涨落困难,我们提出了信息保存法(IP),该方法能够有效克服统计散布,并已成功用于多种微尺度气流.      

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。     

Gas-kinetic unified algorithm for plane external force-driven flows covering all flow regimes by modeling of Boltzmann equation

The nonequilibrium steady gas flows under the external forces are essentially associated with some extremely complicated nonlinear dynamics, due to the acceleration or deceleration effects of the external forces on the gas molecules by the velocity distribution function. In this article, the gas-kinetic unified algorithm (GKUA) for rarefied transition to continuum flows under external forces is developed by solving the unified Boltzmann model equation. The computable modeling of the Boltzmann equation with the external force terms is presented at the first time by introducing the gas molecular collision relaxing parameter and the local equilibrium distribution function integrated in the unified expression with the flow state controlling parameter, including the macroscopic flow variables, the gas viscosity transport coefficient, the thermodynamic effect, the molecular power law, and molecular models, covering a full spectrum of flow regimes. The conservative discrete velocity ordinate (DVO) method is utilized to transform the governing equation into the hyperbolic conservation forms at each of the DVO points. The corresponding numerical schemes are constructed, especially the forward-backward MacCormack predictor-corrector method for the convection term in the molecular velocity space, which is unlike the original type. Some typical numerical examples are conducted to test the present new algorithm. The results obtained by the relevant direct simulation Monte Carlo method, Euler/Navier-Stokes solver, unified gas-kinetic scheme, and moment methods are compared with the numerical analysis solutions of the present GKUA, which are in good agreement, demonstrating the high accuracy of the present algorithm. Besides, some anomalous features in these flows are observed and analyzed in detail. The numerical experience indicates that the present GKUA can provide potential applications for the simulations of the nonequilibrium external-force driven flows, such as the gravity, the electric force, and the Lorentz force fields covering all flow regimes.     

Investigation of slow monatomic gas flows past a circular cylinder

Slow low-Knudsen-number monatomic-gas flow past a circular cylinder is numerically investigated on the basis of a model kinetic equation. The gas flow is described by a new kinetic equation, from which the continuum equations for slow nonisothermal gas flows containing temperature stresses follow rigorously. It is shown that a closed convective-flow region arises near a nonuniformly heated cylinder in a slow gas flow if the flow impinges on the hot side of its surface. Using a new model of the Boltzmann equation makes it possible to study gas flows both in continuum and rarefied flow regimes.     

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。     

Direct numerical test of the B-G-K model equation by the DSMC method

In the present paper the rarefied gas flow caused by the sudden change of the wall temperature and the Rayleigh problem are simulated by the DSMC method which has been validated by experiments both in global flow field and velocity distribution function level. The comparison of the simulated results with the accurate numerical solution of the B-G-K model equation shows that near equilibrium the B-G-K equation with corrected collision frequency can give accurate result but as farther away from equilibrium the B-G-K equation is not accurate. This is for the first time that the error caused by the B-G-K model equation has been revealed. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19772059, 19889209)     

Numerical investigation from rarefied flow to continuum by solving the Boltzmann model equation

Based on the Bhatnagar–Gross–Krook (BGK) Boltzmann model equation, the unified simplified velocity distribution function equation adapted to various flow regimes can be presented. The reduced velocity distribution functions and the discrete velocity ordinate method are developed and applied to remove the velocity space dependency of the distribution function, and then the distribution function equations will be cast into hyperbolic conservation laws form with non‐linear source terms. Based on the unsteady time‐splitting technique and the non‐oscillatory, containing no free parameters, and dissipative (NND) finite‐difference method, the gas kinetic finite‐difference second‐order scheme is constructed for the computation of the discrete velocity distribution functions. The discrete velocity numerical quadrature methods are developed to evaluate the macroscopic flow parameters at each point in the physical space. As a result, a unified simplified gas kinetic algorithm for the gas dynamical problems from various flow regimes is developed. To test the reliability of the present numerical method, the one‐dimensional shock‐tube problems and the flows past two‐dimensional circular cylinder with various Knudsen numbers are simulated. The computations of the related flows indicate that both high resolution of the flow fields and good qualitative agreement with the theoretical, DSMC and experimental results can be obtained. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

Numerical solutions of the Boltzmann equation: comparison of different algorithms

In the paper we compare different algorithms for numerical solutions of the Boltzmann equation. For this comparison we have taken the standard problem of the shock wave structure in a mono-atomic rarefied gas. Different parameters characterizing the shock structure have been calculated by a Monte Carlo simulation (DSMC), a second order time-relaxed Monte Carlo method (TRMC2), a fully deterministic discrete velocity method (DV), a discrete velocity method with Monte Carlo calculations of collision integral (DVMC) and a molecular dynamics method (MD). Results of these calculations have been compared with the shock wave structure obtained in experiments in a shock tube. The results of the comparison are not conclusive. We have observed general agreement between numerical and experimental results but there is no single numerical method which fits best to the experimental measurements.     

Rayleigh-Benard系统不稳定性的DSMC方法研究

本文应用DSMC方法初步研究了稀薄气体状态下Rayleigh-Benard系统的不稳定性特征，着重考察了气体密度梯度对Rayleihg-Benard系统不稳定性特征的影响。研究表明DSMC方法能够成功地模拟Rayleigh-Benard系统内涡的运动，得到了与外力方向相反的密度梯度会增加Rayleigh-Benard系统流动不稳定性的结果。