低速二维流动的粒子仿真研究

本文运用信息保存法对低速二维的流动现象进行模拟，考察了低速条件下的有限平板绕流以及微槽道气体流动问题。研究表明：在对低速流动的模拟过程中，运用IP法在能够获得较好的结果的同时，具有比DSMC方法更高的计算效率。     

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。     

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。     

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.     

气体化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法研究

发展了平衡粒子模拟方法(EPSM)，建立了与高温气体化学反应动力学理论相匹配的：EPSM耦合模型，并通过混合参数进行流区的自动识别，将：EPSM方法与蒙特卡罗直接模拟方法(OSMC)结合，构造了可模拟化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法。应用该算法对汲及化学反应的二维高超音速竖板绕流流场进行模拟，将结果与DSMC方法的结果进行比较，验证了新算法对求解化学反应流动的可行性。将混合算法的计算效率与DSMC方法的计算效率进行比较，发现混合算法能够大大提高计算效率。     

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.     

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.      

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.      

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。     

亚跨超声速喷管流场

本文给出保角曲线坐标下理想气体二维定常无旋等熵流函数方程的一般形式.以相应的不可压缩位势流的流线和等位线为坐标,给出简化的流函数方程和它的一般解.将上述结果应用到喷管流动,给出喉部壁面曲率半径、收缩比、壁面最大倾角都可按需要选取的,从亚声速通过跨声速到超声速的喷管流动解.这个解适用于不同比热比. 作为应用举例,本文算出典型喷管的流动特性.其中包括:低亚声速、中亚声速、高亚声速喷管流动的等马赫数线;超声速喷管流动的声速线、等马赫数线、影响线、极限特征线、分支线和等时线等. 本方法可推广到绕物体外部流动,管道内绕物体流动,叶栅流动等,特别是在跨声速区可得到较好的结果.此外,可推广到具有平衡或非平衡的化学反应的情况;也可推广到轴对称情况.     

Burnett simulations of gas flow in microchannels

The Burnett equations with slip boundary conditions are used to model the gas flow in microchannels in transition flow regime. As the Navier-Stokes equations are not appropriate to model the gas flow in this regime, the higher-order Burnett equations are adopted in the present study. In earlier studies, convergent solutions of the Burnett equations of microPoiseuille flow could only be obtained when Knudsen number is less than 0.2. By using a relaxation method on the boundary values, convergent solutions of the Burnett equations can be obtained even when Knudsen number reaches 0.4. The solutions of Burnett equations agree very well with experimental data and direct simulation Monte Carlo (DSMC) results. The pressure distributions and velocity profiles are then discussed in detail.     

微尺度泊肃叶流的高阶连续模型分析

分别从分子运动论及连续流理论出发,对体积力驱动的微尺度平面泊肃叶(Poiseuille)流的横向分布特征进行了分析. 分子水平模拟采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo, DSMC)方法;连续流理论则主要考察了伯内特(Burnett)及超伯内特(Super-Burnett)等高阶连续模型,在平行流假设下,获得一组高阶非线性常微分方程,补充完整的边界条件,并应用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解. 结果表明,即使对于过渡领域流动,高阶连续模型可以给出与DSMC 结果完全相符的压力分布,而速度分布当努森(Knudsen)数约为0.2时即在壁面开始出现偏差;对于温度的横向分布,伯内特模型回复到纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)水平,不能得到与DSMC一致的双峰结构,而超伯内特模型在滑移流动领域与DSMC定性相符,在过渡领域却仅能正确预测主流区温度分布,壁面附近差异明显;横向热流与纳维-斯托克斯模型预测接近,但机理上存在本质区别. 本文结果提示选用连续模型时,不仅要根据流动参数来判断,还可以根据所关注的物理量来进行调整,适度扩大连续模型的适用范围. 但即使采用高阶本构关系,连续模型仍然不能完全描述壁面附近区域的非平衡效应(如努森层效应),这是试图扩大连续模型适用范围时必然会遇到的困难.     

A COMPUTATIONAL METHOD FOR THE NAVIER-STOKES EQUATIONS AT ALL SPEEDS

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＦｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅｆｌｏｗｓｔｈｅＮａｖｉｅｒ＿Ｓｔｏｋｅｓｅｑｕａｔｉｏｎｓａｒｅｇｅｎｅｒａｌｌｙｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｌａｗｆｏｒｍａｓａｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｓｙｓｔｅｍ .Ｌａｃｋｉｎｇｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｔｏｏｌｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｉｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ ,ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｕｓｅｄｉｎｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｈｙｐｅ…     

二维定常不可压缩粘性流动N-S方程的数值流形方法

将流形方法应用于定常不可压缩粘性流动N-S方程的直接数值求解,建立基于Galerkin加权余量法的N-S方程数值流形格式,有限覆盖系统采用混合覆盖形式,即速度分量取1阶和压力取0阶多项式覆盖函数,非线性流形方程组采用直接线性化交替迭代方法和Nowton-Raphson迭代方法进行求解.将混合覆盖的四节点矩形流形单元用于阶梯流和方腔驱动流动的数值算例,以较少单元获得的数值解与经典数值解十分吻合.数值实验证明,流形方法是求解定常不可压缩粘性流动N-S方程有效的高精度数值方法.     

Numerical solution of 2D and 3D turbulent internal flow problems

The paper describes a method for solving numerically two-dimensional or axisymmetric, and three-dimensional turbulent internal flow problems. The method is based on an implicit upwinding relaxation scheme with an arbitrarily shaped conservative control volume. The compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved with a two-equation turbulence model. All these equations are expressed by using a non-orthogonal curvilinear co-ordinate system. The method is applied to study the compressible internal flow in modern power installations. It has been observed that predictions for two-dimensional and three-dimensional channels show very good agreement with experimental results.     

Homotopy analysis and differential quadrature solution of the problem of free-convective magnetohydrodynamic flow over a stretching sheet with the Hall effect and mass transfer taken into account

This paper presents an analytical solution of the problem of free-convective magnetohydrodynamic flow over a stretched sheet with the Hall effect and mass transfer taken into account. A similarity transform reduces the Navier-Stokes, energy, Ohm law, and mass-transfer equations to a system of nonlinear ordinary differential equations. The governing equations are solved analytically using an analytical method for solving nonlinear problems, namely, the homotopy analysis method. The results are compared with the results of a promising numerical method of differential quadrature developed by the authors. It is shown that there is very good agreement between analytical results and those obtained by the differential quadrature method. The differential quadrature method was validated, and the effects of non-dimensional parameters on the velocity, temperature and concentration profiles were studied.     

MOLECULAR SIMULATION OF DRIVEN CAVITY FLOWS WITH HIGH REYNOLDS NUMBER

采用扩散信息保存(diffusive information preservation,D-IP)方法计算了雷诺数为10²~10⁴的二维方腔流动. D-IP方法是一种基于扩散运动观点的分子模拟方法, 克服了经典直接模拟蒙特卡罗方法对于时间步长和网格大小的严格限制.在计算中, D-IP方法的时间步长和网格大小分别为分子平均碰撞时间和平均自由程的几十倍乃至几百倍, 所得到的方腔流线分布和旋涡的精细结构, 均与Navier-Stokes方程数值解相符.     

预处理方法在全速度流场中的应用研究

应用预处理方法求解二维可压缩Navier-Stokes方程,发展出一套既适用于低速流动,也可用于可压缩流动的全速度流场解算方法.空间格式选用Ausm类格式,并采用多步Runge-Kutta时间推进方法.数值模拟了鼓包(Bump),RAE2822翼型,多段高升力翼型的不同速度绕流流场,并与实验数据进行了对比.结果表明预处...