三维非结构网格DSMC方法的实现及其应用

研究了三维非结构网格DSMC方法实现的过程.将Bird位置元方案中的子网格思想引入到非结构网格上来,只存储子网格的总体标识号,利用较少的计算网格提高了分子的分辨率与计算精度.提出了将体积元坐标搜索算法与交替数字二叉树搜索算法(ADT)相结合的方法来跟踪模拟分子在网格之间的迁移,使用ADT方法判别分子与物面是否作用,避免了分子表面反射的非确定论判据.利用Fortran 90的动态分配内存技术编制了通用计算程序.最后对高超声速过渡流域航天飞机头部外形绕流进行了数值模拟,数值结果初步验证了算法的可行性.     

基于Voronoi cells的二维不规则自适应网格的生成及其应用

基于Voronoi cells的数据结构和算法,给出了一种二维不规则自适应网格的生成方法,用VisualC＋＋语言在微机上开发了Windows环境下网格自动生成的可视化软件。既可以得到Voronoi cells网格,也可得到相应的Delaunay triangles网格,网格生成的实例表明,本文方法所得到的网格非常适合于多尺度系统的流动问题的计算,具有较好的应用前景。     

大尺度网格下DSMC仿真碰撞概率的修正方法

从DSMC碰撞概率的实现途径出发,通过引入最小二乘法及亚松弛的思想给出一种大尺度网格下分子仿真碰撞概率的修正方法,将该方法应用于非结构四面体网格下的DSMC模拟中,计算分析了文献中钝锥模型的绕流结果,数值结果初步验证了本文方法的合理性和有效性。     

非结构网格变形方法研究进展

动网格技术中的非结构网格变形是计算流体力学和计算固体力学的关键技术之一.本文在总结现有非结构网格变形方法的基础上, 提出了一种网格变形方法的详细分类, 将现有方法归类为虚拟结构法、偏微分方程法和代数法. 本文综述了各类方法的最新研究进展, 分析并比较了各类方法的特性, 评述了当前网格变形研究的几个主要方向:复杂结构外形在不规则变形下的动网格生成、三维动网格生成、并行动网格生成和动节点技术. 最后简要地探讨了该领域的发展趋势.      

一种新的并行自适应网格有限元算法

给出了一种新的适用于流体力学问题的并行自适应有限元算法。首先,基于初始稀网格上获得的事后误差估算值,应用反复谱对剖分方法对初网格进行划分,使各子域上总体误差近似相等,从而解决并行自适应计算中的负载平衡问题。然后在各处理器上独立地求解整体问题,并进行指定子域上的网格自适应处理。最后将各子域上的自适应网格组合成一个整体网格,应用基于粘接元技术的区域分裂法在该网格上获得最终解。文末给出了数值实验结果。     

NND格式在非结构网格中的推广

在张涵信提出的无波动、无自由参数的差分格式（ＮＮＤ格式）的基础上,构造了适用于非结构网格的二阶精度ＮＮＤ有限体积格式,解决了现有非结构网格方法中为抑制激波附近的波动而必须引入含自由参数的人工粘性项的困难,并采用网格自适应技术以提高效率．通过对二维平板激波反射和前台阶在管道内的流动问题的计算,表明本方法可有效地用于Ｅｕｌｅｒ方程的求解．     

二维自适应网格生成的改进AFT与背景网格法

在基于重生成的自适应有限元网格生成算法研究中,将推进波前法（AFT）与背景网格法结合并提出改进方法,有效地解决了网格生成和单元尺寸计算这两个关键问题。改进的AFT方法,将前沿区分为活跃前沿和非活跃前沿两类,在选取目标前沿时既考虑前沿尺寸又考虑前沿分类。改进的背景网格法,利用结构化栅格对背景网格进行管理,在栅格中直接存放背景网格中的单元,既提高了新单元尺寸的计算速度,又从数值上保证了新生成网格中单元之间尺寸合理过渡。     

一类多线程并行四面体网格优化算法

提出了一类多线程并行、组合了光滑化与局部重连操作的四面体网格优化算法。采用传统的基于拓扑的数据分解策略实现了并行光滑化算法,利用图染色算法将待光滑化的点分解成多个独立点集。同时提出将一类基于几何的数据分解策略应用于局部重连操作的并行化,在每个局部重连操作涉及的几何区域中定义一个特征点,然后沿希尔伯特(Hilbert)曲线对特征点进行排序,曲线的均匀分解对应局部重连操作在各线程的分配。这一分配策略的优点是使并行执行局部重连操作时重连区域相互干涉的情形极少出现。因此,当干涉情形出现时,可选择放弃产生干涉的操作,并行优化效率和效果并无明显的负面影响。最后,数值实验验证了本文算法的效率和有效性。     

一种分子运动和碰撞双重网格DSMC方法研究

基于非结构网格与直角网格相结合的策略,提出一种分子运动和碰撞双重网格DSMC实现方法。通过分子的位置坐标信息,实现运动网格与碰撞网格信息交互,从而结合非结构网格的贴体性和直角网格易于控制子网格数量的优点,同时提出并实现了基于MCS自适应的动态子网格技术以有效限制分子平均碰撞距离,提高了DSMC方法的通用性和计算精度。通过对超声速圆柱绕流和扩张管道的数值模拟,验证该方法的有效性和高精度性。数值结果表明,本文提出的基于分子运动和碰撞双重网格的DSMC方法提高了流场的分辨率,且通过基于MCS自适应的动态子网格技术,有效地降低了流场的平均碰撞距离,提高了碰撞质量和计算精度。     

基于二重网格的动网格松弛法改进

相比传统的弹簧法等方法,基于球松弛算法的动网格松弛法在复杂边界大变形条件下可以得到质量更高的边界网格以及更大的极限变形量,但该方法在时间效率上还有提升的空间.引入二重网格,采用动网格松弛法进行稀疏网格的网格变形,将边界位移传递到整个网格计算域;再利用二重网格映射,将稀疏网格位移映射到原有计算网格的节点上.算例表明,改进...     

微尺度气体滑动轴承的Monte Carlo模拟与性能分析

改进了直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法并模拟研究了轴承构型、滑动速度、壁温及环境压力对微气体滑动轴承内部压力分布及承载能力的影响.结果表明:轴承的几何构型和滑动速度对轴承的性能影响很大,对于相同长度的轴承,气体的峰值压力与轴承的承载能力随轴承出口尺寸的减小和滑动速度的增大而增大;当轴承的几何形状和滑动速度固定时,通道壁温和环境压力是影响轴承性能的重要因素,壁温越高,轴承的承载能力越强;环境压力不同,轴承性能亦有所不同.     

纳米尺度气体滑动轴承的DSMC模拟

依据硬盘驱动系统中读写头与盘面的构造,结合现有的楔型和阶跃型气体滑动轴承的特点,提出了一种气体滑动轴承结构,并采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)法数值研究了滑动轴承的最小间距、移动速度和系统温度对轴承承载能力的影响.计算结果表明,所设计轴承的承载能力随移动速度的增大而增加,随最小间距的增加和系统温度的升高而减小;轴承的承载能力对轴承最小间距的变化更敏感.     

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.     

Extension of the DSMC method to high pressure flows

A collision-limiter method, designated as equilibrium direct simulation Monte Carlo (eDSMC), is proposed to extend the DSMC technique to high pressure flows. The method is similar to collision-limiter schemes considered in the past with the important distinction that for inviscid flows, equilibrium is enforced in the entire flow by providing a sufficient number of collisions, based on pre-simulation testing. To test the method with standard DSMC and Navier–Stokes (NS) methods, axi-symmetric nozzle and embedded-channel flows are simulated and compared with experimental temperature data and pre-existing calculations, respectively. The method is shown to agree with third-order Eulerian nozzle flows and first-order channel flows. Chapman–Enskog theory is utilized to predict the range of initial conditions where eDSMC is potentially useful for modeling flows that contain viscous boundary layer regions. Comparison with supersonic nozzle data suggests that the eDSMC method is not adequate for capturing the large variation in flow length scales occurring in supersonic expansions into a vacuum. However, when eDSMC is used in combination with the baseline-DSMC method a near-exact solution is obtained with a considerable computational savings compared to the exact DSMC solution. Viscous flow channel calculations are found to agree well with an exact Navier–Stokes (NS) calculation for a small Knudsen number case as predicted by Chapman–Enskog theory.     

Navier-Stokes方程二阶速度滑移边界条件的检验

对微尺度气体流动,Navier-Stokes方程和一阶速度滑移边界条件的结果与实验数据相比,在滑移区相互符合,在过渡领域则显著偏离.为改善Navier-Stokes方程在过渡领域的表现,有些研究者尝试引入二阶速度滑移边界条件,如Cercignani模型,Deissler模型和Beskok-Karniadakis模型.以微槽道气体流动为例,将Navier-Stokes方程在不同的二阶速度滑移模型下的结果与动理论的直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和信息保存(IP)方法以及实验数据进行比较.在所考察的3种具有代表性的二阶速度滑移模型中,Cercignani模型表现最好,其所给出的质量流率在Knudsen数为0.4时仍与DSMC和IP结果相符;然而,细致比较表明,Cercignani模型给出的物面滑移速度及其附近的速度分布在滑流区和过渡领域的分界处(Kn=0.1)已明显偏离DSMC和IP的结果.     

DSMC／EPSM混合算法研究

将EPSM算法与DSMC方法结合,构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC/EPSM混合算法。运用混合算法模拟了马赫数等于5时超音速竖板绕流及马赫数等于4时超音速平板绕流,并将结果与DSMC算法的结果进行比较,证明了DSMC／EPSM混合算法的有效性,同时将EPSM算法与DSMC算法的效率进行了比较。     

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。     

不同形状微管道中的气体流动

不同形状微尺度管道(圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形)中的气体流动特性是微机电系统设计最为关心的问题之一.文中利用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法进行研究,给出两种方法的计算结果相互符合,并与其它研究者的BGK模型方程计算结果进行了比较.对于微尺度管道中关心的低Mach数流动, IP方法的统计收敛效率明显优于DSMC方法.通过拟合IP和DSMC结果,给出了圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形截面情况下无量纲质量流率与等效Knudsen数的关系.