稀薄气体动力学的现状

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     

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: 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     

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。     

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。      

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。     

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      

研究多相介质运动的意义、内容和方法

本文从连续介质假设、守恒方程、本构关系和固壁上的边界条件等方面的分析出发，指出二相流体动力学虽是流体力学的一个分支，但在研究内容上与流体力学有较大差异，从分析二相流特点与稀薄气体、稠密气体、非平衡流动和可压缩流动特点之间的相似性出发，指出二相流研究可借鉴相关学科的研究成果和研究方法。本文用弛豫时间概念解释了二相混合物与均相混合物在运动特征上的差异，以及在描写运动的方法上（双流体模型和单流体模型等）的相应差异。最后以风沙运动、泥沙运动和泥石流运动为例，说明在二相流研究中突出主要因素进行合理简化的重要性，并指出：对于不同类型的二相流、对于具有不同流动参数的同类二相流、对于同一二相流的不同区域或不同的研究目的，简化的方法都会有所不同。     

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...      

基于稀薄效应的微气体径向轴承稳态性能

针对微气体轴承给出参考努森数的定义,根据空气不同温度时的黏度,得到参考努森数的分布范围;考虑气体稀薄效应,给出基于Burgdorfer一阶滑移速度边界的微气体径向轴承润滑Reynolds方程的修正形式; 采用有限差分法求解修正的Reynolds方程,得到不同参考努森数$Kn_0$, 轴承数以及轴颈偏心率情况下轴承的压力分布、无量纲承载能力及偏位角. 数值分析表明:随气体稀薄程度的增强,气体径向轴承的压力明显降低,无量纲承载力降低,而轴承偏位角增大. 当偏心率小于0.6时,轴承偏位角变化平缓,受$Kn_0$数的影响不明显. 当轴承数较小时,气体稀薄程度对轴承的无量纲承载力、偏位角影响较小.      

高空高速飞行器气动特性研究

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题, 必须发展相应的基础理论和研究方法.该文从计算方法、流动拓扑分析以及典型飞行器应用等方面介绍了作者所在研究团队近年来部分工作进展.      

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.      

分子气体动力学的一些问题

低密度气流中的质能转换过程,通常是在分子相互作用局部行为起重要影响的强非平衡条件下进行的。在40年代末,由于对发展航空和火箭-宇宙技术的兴趣,稀薄气体动力学开始形成为流体力学的一个独立的大分支,苏联发射第一颗人造地球卫星,是这个时期的历史性里程碑。在这之后,稀薄气体动力学领域的国际科学联系大大发展了,1959年在法国尼斯      

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。     

微尺度圆管内气体流量的实验测量

以氮气和氦气为工作介质,研究了微尺度(φ=17.6μm,17.9μm)圆管内压力驱动的气体流动,测量了在不同进出口压力下的流量,并与计算值进行了比较.结果表明,即使对于极低Mach数(M=0.003～0.03)流动,其可压缩性仍十分明显,它来源于微尺度效应.在本文的实验参数下,Kundsen数范围为3×10-3～7×10-3,表面滑移不明显,稀薄气体效应可以忽略.     

等壁温加热微通道内气体流动换热特性的直接蒙特卡罗模拟

用直接模拟蒙特卡罗方法对压力边界条件下气体在微通道内的流动换热特性进行了研究,给出了壁面与来流存在温差时的沿程速度分布特点,以及在可压缩性与换热条件综合作用下的温度分布特点。研究结果表明:微通道内气体可压缩性作用显著,温度分布由可压缩性和换热强度的相对强弱综合决定;壁面与来流存在温差时气体沿程速度分布型线在入口段内上凸;壁温高于来流温度时,气流速度与等温流动工况下的速度的相对大小与气体稀薄性有关。     

西德航空航天研究院和格廷根空气动力学研究所的空气动力学研究

笔者于1974年6月到1976年3月在格廷根的西德航空航天研究院-格廷根空气动力学研究所(DFVLRAVA)的稀薄气体力学研究所工作了近两年。现在根据在此期间的见闻,介绍DFVLR和AVA的空气动力学的研究状况。     

近空间高速飞行器气动特性研究与布局设计优化

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题.介绍了黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应对高空高速飞行器气动特性影响,回顾了飞行器气动布局设计优化的发展过程,给出典型高速高升阻比飞行器气动布局设计及优化的结果.      

尖锐前缘气动加热机理与激波脱体距离研究

针对尖锐前缘所处的气动环境,分析了由于前缘尖化所带来的稀薄效应影响。应用理论方法推导了尖锐前缘驻点气动热的计算方法和计算公式,并结合CFD方法、DSMC方法和Fay-Riddel工程方法对其前缘钝头的流场、驻点热流进行了计算和对比分析。计算结果表明,由于前缘的尖化使得稀薄气体效应提前出现,从而影响到前缘的激波厚度、激波形状和激波脱体距离等流动现象,导致激波结构复杂化,可能会对进气道唇口的斜激波带来不利的影响。另外稀薄效应的影响降低了驻点热流,缓解了尖化前缘的气动热环境。