统一气体动理学方法研究进展

在临近空间高超声速飞行器气动载荷、航天飞行器变轨/调姿、微尺度元器件传质/传热等科学和工程实践中，存在着大量的时序多流域（多尺度）流动问题以及位于单一流场中的复杂多流域问题（局部稀薄问题），对数值预测工作提出挑战.因此，近年来从介观气体动理学基础上发展出了一大类将连续流与稀薄流进行统一计算的高效数值方法，包括确定论形式的UGKS，GKUA和DUGKS方法，以及粒子形式的USP-BGK和UGKWP方法.文章围绕着确定论和统计粒子两类统一方法的最新研究进展进行回顾和分析，重点关注在每种方法中全流域统一性质的来源与实现方式、目前已取得的关键进展以及该方法的扩展性和应用价值.      

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

在界面不稳定性实研究中，一个主要的难点是如何分隔不同流体介质并形成初始扰动，其中比较新颖的方法是利用乙炔和氧气的混合气体爆轰来驱动果冻内爆，由于果冻有足够强度抵抗重力引起的变形，无须任何膜来控制界面，同时果冻和爆轰产物都具有良好的透明性，易于观察界面扰动情况，廖海东等也做过类似实验，并获得了测试图像。     

内爆加载下果冻内外界面不稳定性数值计算

 采用可压缩多介质流体高精度PPM方法对实验模型进行数值计算,针对果冻内外界面10模峰对峰、峰对谷振幅为1 mm扰动模型,给出了与实验相对应时刻的数值计算结果,并对果冻内外界面位置、速度和加速度历史进行了详细分析。计算结果再现了复杂的实验现象,基本物理现象与实验图像以及计算结果和实验数据均相吻合。     

三维流体界面不稳定性的Ghost方法

Euler方法对大多数气体流动处理得很好,但在临近材料界面的区域出现非物理振荡。Lagarange方法对多材料面适用性很好,但它在处理大变形和大多数气体流动的涡结构却在自身的困难。理想的稳定性性强的方法是结合两种方法的长处,利用Level Set方法来确定界面位置,利用Ghost方法为确定临近界面的网格点的状态量,采用单侧界面的熵插值技巧来捕捉适宜的界面边界条件,并与TVD／AC格式进行了数值比较。     

离散统一气体动理学格式稳态辐射输运应用

工程应用中的介质热辐射问题是典型的多尺度问题. 基于Boltzmann输运方程建立的各类气体动理学格式, 在多尺度瞬态问题中得到了广泛应用. 为了克服显式求解方案中CFL条件等的限制, 文章通过气体动理学格式实现稳态辐射输运方程的直接求解. SDUGKS格式由离散统一气体动理学格式(discrete unified gas kinetic scheme, DUGKS)的核心思想发展而来, 应用于稳态问题计算. 将SDUGKS格式进一步拓展到多尺度的稳态热辐射输运计算. SDUGKS格式继承了DUGKS格式沿特征线离散实现的界面重构, 并通过隐式增量格式的单元更新实现对辐射强度的较正, 采用逐次迭代法将辐射强度渐近收敛到稳定值. 选用多组一维和二维不同尺度的辐射传热算例, 通过与特定的解析解以及其他数值方法结果对比, 检验了SDUGKS的计算精度和计算效率, 并论证了它在多尺度问题中的渐进保持性质.      

精细平衡气体动理学格式

流体系统在重力作用下,流体压力可与重力相平衡,达到静力平衡状态.常规的有限差分和有限体积方法无法在离散尺度上保持这种平衡态,常常产生虚假速度等非物理现象.通过将重力源项的体积分改写为网格界面值的加权平均,实现离散条件下压力与重力的精细平衡,得到一种Navier-Stokes （NS）方程的精细平衡气体动理学格式.该格式可以在机器精度上精确地保持等温条件下的静力平衡态以及捕捉平衡态附近的小扰动传播.同时,该格式还能求解自然界中更常见的非等温平衡态.此类平衡态除了要求静力平衡还要求热流平衡.利用提出的格式求解NS方程,可以得到静止（机器精度下的零速度）的非等温平衡态,并且密度和温度分布都具有二阶精度.通过多个算例验证格式的有效性,表明该格式可更好地模拟重力场下的温度、密度的分层流动.     

激波加载初始非均匀气体流场界面不稳定性数值模拟

流体力学界面不稳定性及其后期的界面混合现象,是一种十分复杂的多尺度非线性物理问题,在惯性约束聚变、天体物理以及水中爆炸等领域有着广泛的应用前景,对该问题的研究不仅具有很高的学术价值,而且对促进相关领域的发展具有重要意义.中国工程物理研究院流体物理研究所基于Euler有限体积方法,发展了适用于可压缩多介质黏性流动具有多亚格子尺度模型的大涡模拟程序MVFT,并评估分析了不同亚格子尺度模型对界面不稳定性及界面混合的模拟能力;提出了流场非均匀性对R-M不稳定性影响的问题,并在激波驱动轻重气体双模扰动R-M界面不稳定性实验中成功应用并解读了新的实验现象和规律,在此基础上进而开展了反射激波作用下两种初始非均匀流场界面不稳定性引起的界面混合数值模拟研究,探讨了流场非均匀性对激波反射后强非线性阶段界面不稳定性发展、演化规律的影响,近期还对非均匀流场R-M不稳定性的演化规律、初始流场非均匀性和初始扰动效应及其影响的物理机制进行了分析和研究.      

“反尖端”界面不稳定性数值计算分析

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟代码(MVFT),在超算平台上对"反尖端"界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了大规模三维数值模拟分析。数值模拟结果清晰地显示了冲击波加载界面后分解产生的冲击波、稀疏波、压缩波及其在SF6气体中的运动和相互作用,以及波多次加载界面的复杂过程,波和界面的每一次作用都会加速湍流混合区的发展和物质混合。"反尖端"界面受冲击波加载后发生反相而形成典型的大尺度壁面气泡和中心轴尖钉结构,该大尺度结构基本确定了湍流混合区的平均几何特征和包络范围而不依赖计算网格。高分辨率的计算网格下,捕捉到了更精细的小尺度湍涡结构和更强的湍流脉动,显示了湍流混合区所具有的复杂结构和特征。     

亚纳秒气体开关中气体击穿的数值计算

 对亚纳秒气体开关的放电过程，提出了气体击穿阶段的物理与数学模型以及数值计算方法，并对氢气和氮气的这一击穿过程进行了数值仿真。对于1mm氮气间隙，计算了充电电压波形为纳秒级上升的斜角平顶波时，开关放电时延以及击穿电压随气压和充电电压上升时间的变化。对于氢气，利用美国Sandia实验室的一个实验结果对数值仿真方法进行了验证，所得到的计算结果与实验结果很好地吻合，初步表明所建立的物理模型与计算方法的正确性。     

亚纳秒气体开关中气体击穿的数值计算

对亚纳秒气体开关的放电过程,提出了气体击穿阶段的物理与数学模型以及数值计算方法,并对氢气和氮气的这一击穿过程进行了数值仿真。对于1mm氮气间隙,计算了充电电压波形为纳秒级上升的斜角平顶波时,开关放电时延以及击穿电压随气压和充电电压上升时间的变化。对于氢气,利用美国Sandia实验室的一个实验结果对数值仿真方法进行了验证,所得到的计算结果与实验结果很好地吻合,初步表明所建立的物理模型与计算方法的正确性。     

指数型谐振管的二维气体动理学格式模拟

本文构造了适合模拟变截面谐振管的非结构三角形网格上的二维气体动理学BGK模型,采用该模型研究了包括圆直谐振管在内的八种不同形状的指数型谐振管内声场及流场的分布,分析了谐振管形状对压力分布和瞬时流场的影响。研究发现,从抑制激波、高次谐波以提高压力振幅和压比方面综合分析,形状参数m=2.2的指数型谐振管具有更好的性能。研究中也发现了一些新的物理现象,并对这些现象做了详细的解释。     

数值模拟圆柱绕流旋涡运动及尾流不稳定性分析

1引言流体绕过圆柱所产生的非定常旋涡运动以及由此引起的流动不稳定性在理论和实践上都具有重要的意义。数值模拟圆柱绕流旋涡产生及演化过程，探讨圆柱尾流涡街产生的机制，控制尾迹不同速度型以抑制涡街的产生，避免涡激振动在工程上造成破坏作用具有重大实际意义。为使问题简化，本文以二维圆柱绕流作为研究对象。该流动涉及到非定常分离，旋涡的形成、运动及发展，流动不稳定性质改变等许多未完全解决的问题。B。had等山对圆柱突然起动问题作了一系列实验研究。文献门对二维圆柱绕流问题作了系统数值研究。本文采用文献门提出的差分格…     

气体动理学格式模拟多孔介质流动的可行性

将气体动理学格式（GKS）拓展到模拟多孔介质内的低速渗流,并检验在孔隙尺度上模拟不可压缩低速流动的可行性与有效性.结果表明：GKS具有二阶空间精度,能够较精确地计算多孔介质的渗透率;相比于单松弛格子玻尔兹曼方法,GKS能够精确实现壁面无滑移边界条件,从而正确反映渗透率与黏性无关的特性;对于Berea砂岩切片结构中的复杂流动,模拟结果与实验吻合较好,能较精确地计算渗透率.给出GKS模拟达西渗流的马赫数选取准则,为研究多孔介质流动提供新的工具.     

流体界面不稳定性数值模拟中不同介质界面的处理方法

在界面不稳定性数值模拟中,以往的方法^〔1,4－8〕局限于密度不同的单种介质或绝热指数相同的两种介质问题,在计算绝热指数不同介质间的扰动时,界面上强制加入接触间断边界条件,从而避免了界面上数的非物理振荡,用三维程序TVD／AC对两种不同介质,在单波扰动下Rayleigh-Taylor不稳定性的发展进行了计算,得到了扰动随时间发展的图像。     

液滴超声速气动破碎初期界面不稳定性

针对液滴破碎问题,获得并揭示两相界面演化特征机理.采用数值模拟方法,观察了超声速条件下的液滴气动破碎初期的界面不稳定性.基于数值模拟结果和线性稳定性理论,综合分析表明,Rayleigh-Taylor不稳定性和Kelvin-Helmholtz不稳定性均对源于驻点和外环之间中段附近处的主导扰动产生作用.保持其他流动特性不变,降低K-H不稳定性的影响,对数值模拟进行了专门改进,进一步验证了前述结论.      

多介质流体界面不稳定性程序

研制了二维多介质流体程序，主要包括单介质内高精度流体力学计算，多介质混合网格内各种介质输运过程和压力驰豫平衡过程计算、实际状态方程的黎曼解计算。流体计算分别采用高分辨两步PPM（Parabolic Piecewise Method）算法、TVD（Total Variation Diminishing）算法和FCT（Flux Corrected—Transport）算法，流体界面追踪采用VOF（Volume-of-Fluid）。数值求解可压缩多流体方程组和可压缩VOF方程。二维界面追踪分别采用一阶精度Youngs方法和二阶精度Elivira方法，三维界面追踪采用一阶精度Youngs方法，     

界面不稳定性数值模拟中的虚拟流动方法

研究了流体界面不稳定性的一类数值模拟方法——虚拟流动方法(Ghost Fluid Method).在算法中直接针对多维问题设定虚拟区域的流动参数,在流体力学方程的计算中采用了非分裂型的高分辨SCB格式,最后利用该方法完成了R-M和R-T不稳定性问题的数值计算,得到了满意的计算结果.     

基于气体动理学方法的高超声速支杆降热模拟

基于气体动理学方法(gas kinetic scheme, GKS)分别从单独流场和流固耦合两方面开展了针对支杆结构热防护系统的数值模拟研究。首先利用二维标准圆管模型验证算法在单独流场计算中的可靠性,然后通过比较不带支杆和带支杆情形下圆管外壁面的气动热特性及相应流场特征,分析得到支杆降热的有效性及其降热机理。接着在将GKS应用到流场/结构温度场耦合模拟并进行验证后,进一步分析流固耦合作用下的支杆降热性能,结果发现支杆的降热效果随着流固耦合时间的推进不断增强,从而有利于高超声速飞行器长时间巡航飞行。