Direct Monte Carlo(MC) simulation is a powerful probabilistic safety assessment method for accounting dynamics of the system.But it is not efficient at simulating rare events.A biasing transition rate method based on ...Direct Monte Carlo(MC) simulation is a powerful probabilistic safety assessment method for accounting dynamics of the system.But it is not efficient at simulating rare events.A biasing transition rate method based on direct MC simulation is proposed to solve the problem in this paper.This method biases transition rates of the components by adding virtual components to them in series to increase the occurrence probability of the rare event,hence the decrease in the variance of MC estimator.Several cases are used to benchmark this method.The results show that the method is effective at modeling system failure and is more efficient at collecting evidence of rare events than the direct MC simulation.The performance is greatly improved by the biasing transition rate method.展开更多
使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况...使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况下,使用轴对称DSMC模型对Taylor涡进行数值模拟,所得Taylor涡的稳定过程与三维结果一致,验证了使用三维DSMC方法来解决微尺度低速的稀薄气流问题的可行性.三维模拟结果表明Taylor涡以较大的圆周速度绕轴旋转,二维模拟则无法体现.对不同的内圆柱旋转速度进行数值模拟,确定了能够产生Taylor涡的临界速度值.展开更多
NS-DSMC(Navier Stokes-Direct Simulation Monte Carlo)耦合方法是计算连续-稀薄跨流域流动的主要方法,应用过程中如何确定连续流域和稀薄流域的界面是此方法的关键问题之一,界面位置通常通过连续失效参数来判定.为合理选择连续失效参...NS-DSMC(Navier Stokes-Direct Simulation Monte Carlo)耦合方法是计算连续-稀薄跨流域流动的主要方法,应用过程中如何确定连续流域和稀薄流域的界面是此方法的关键问题之一,界面位置通常通过连续失效参数来判定.为合理选择连续失效参数,对目前广泛使用的两种连续失效参数KnQ和B参数进行了理论上的分析和比较,表明虽然他们建立的出发点不同,但在数学形式上具有一定相似性.通过圆柱绕流问题的数值试验进一步验证了两种连续失效参数具有一定对应关系.KnQ和B两种连续失效参数在NS-DSMC耦合方法中应用效果相差不大,但KnQ的阈值0.05适用范围较广,而B参数的阈值对不同流动问题会有变化.展开更多
吸气式电推进(air-breathing electric propulsion,ABEP)系统使用超低轨道大气作为工质,可突破推进剂携带量对卫星使用寿命的限制瓶颈,是超低轨卫星实现长期驻留的关键技术途径之一.本文采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte C...吸气式电推进(air-breathing electric propulsion,ABEP)系统使用超低轨道大气作为工质,可突破推进剂携带量对卫星使用寿命的限制瓶颈,是超低轨卫星实现长期驻留的关键技术途径之一.本文采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo,DSMC)计算方法,对二维的ABEP进气道模型进行模拟.设定壁面碰撞模型为完全漫反射,在进气道的进口直径保持定值的前提下,改变进气道的长纵比、出口锥角、栅格长度和栅格层数,以分别探究这些影响因素单一作用下的进气道性能变化规律.在单一影响规律的前提下,利用遗传算法进行多目标优化,得到符合设计要求的高性能进气道设计参数,通过权重分配实现了典型高度下进气道设计中收集效率与压缩比的最优解.本研究对大气收集器产品的工程化应用具有指导意义.展开更多
研究了应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法的直角网格技术.通过对边界三角形表面微元进行统计,建立直角网格缺陷单元与表面微元之间的映射关系,并进一步将缺陷单元区分为一级缺陷单元以及二级缺陷单元,同...研究了应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法的直角网格技术.通过对边界三角形表面微元进行统计,建立直角网格缺陷单元与表面微元之间的映射关系,并进一步将缺陷单元区分为一级缺陷单元以及二级缺陷单元,同时结合可变时间步长技术,从根本上解决了在DSMC方法中利用直角网格技术贴体光滑地匹配复杂几何型面的问题.给出了相应的自适应网格调整方法.基于以上策略,编制了通用DSMC计算程序RGD-Tool(Rarefied Gas Dynamic Tool).利用RGD-Tool程序对典型的圆球绕流以及无限薄斜挡板绕流两个算例进行了验证计算,结果表明所讨论直角网格技术是有效的.展开更多
研究了Voronoi网格技术并将其应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算.基于Dirichlet镶嵌与Voronoi图理论,Voronoi网格利用特征点表征网格单元,具有建立粒子与网格单元之间映射关系的独特算法,适合于DSMC方法...研究了Voronoi网格技术并将其应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算.基于Dirichlet镶嵌与Voronoi图理论,Voronoi网格利用特征点表征网格单元,具有建立粒子与网格单元之间映射关系的独特算法,适合于DSMC方法的统计特点.在剔除过于靠近边界的特征点以及必要情况下边界细化的基础上,通过区分由边界节点表征的非完整Voronoi网格单元以及由计算区域内镶嵌点表征的完整Voronoi网格单元,解决了Voronoi网格的二维边界匹配问题.Voronoi网格技术支持自适应DSMC计算.映射效率对比表明,Voronoi网格的DSMC计算效率高于三角形网格,低于多级直角网格.通过MEMS微喷管流动数值模拟,验证了Voronoi网格技术在DSMC方法中的有效性.展开更多
研究了适合在三维直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法计算中根据入口边界条件合理地布置进入计算区域内粒子参数的边界采样技术.提出了一种根据穿越入口边界、出口边界以及撞击壁面边界的粒子统计数据获取边界...研究了适合在三维直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法计算中根据入口边界条件合理地布置进入计算区域内粒子参数的边界采样技术.提出了一种根据穿越入口边界、出口边界以及撞击壁面边界的粒子统计数据获取边界位置处宏观流场参数的新型边界统计技术,弥补了DSMC计算中传统统计技术仅能够获取流场内部参数,不能够获取界面处流场参数的不足.这种界面统计技术具有普遍的适用性,不仅限于DSMC方法.以无穷远来流圆球绕流为例进行计算,验证了DSMC方法的边界采样与统计技术的有效性.展开更多
理论分析表明,Laux提出的DSMC(Direct Simulation of Monte Carlo)方法中的当地时间步长法尽管能够显著缩短流场达到稳定所需的CPU计算时间,提高DSMC程序的运行效率,却存在仿真分子运动和碰撞计算复杂,并需要耗费额外计算机内存的缺憾....理论分析表明,Laux提出的DSMC(Direct Simulation of Monte Carlo)方法中的当地时间步长法尽管能够显著缩短流场达到稳定所需的CPU计算时间,提高DSMC程序的运行效率,却存在仿真分子运动和碰撞计算复杂,并需要耗费额外计算机内存的缺憾.对Laux的方法中仿真分子的运动处理时机提出了改进,并改变了其碰撞抽样方法,从而简化了仿真分子的运动和碰撞计算处理,避免了额外的计算机内存消耗.应用改进后的自适应时间步长法,对圆柱的稀薄气体绕流进行了采用和未采用改进的自适应当地时间步长法的对比计算.结果表明,改进后的自适应当地时间步长法能明显缩短流场达到稳定所需的计算时间,对流场模拟结果产生的影响却非常小.展开更多
基金supported by the Special Projects of International Thermonuclear Experimental Reactor(2015GB116000)the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(No.XDA03040000)+1 种基金the Informatizational Special Projects of Chinese Academy of Sciences(No.XXH12504-1-09)the Major/Innovative Program of Development Foundation of Hefei Center for Physical Science and Technology(No.2014FXCX004)
文摘Direct Monte Carlo(MC) simulation is a powerful probabilistic safety assessment method for accounting dynamics of the system.But it is not efficient at simulating rare events.A biasing transition rate method based on direct MC simulation is proposed to solve the problem in this paper.This method biases transition rates of the components by adding virtual components to them in series to increase the occurrence probability of the rare event,hence the decrease in the variance of MC estimator.Several cases are used to benchmark this method.The results show that the method is effective at modeling system failure and is more efficient at collecting evidence of rare events than the direct MC simulation.The performance is greatly improved by the biasing transition rate method.
文摘使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况下,使用轴对称DSMC模型对Taylor涡进行数值模拟,所得Taylor涡的稳定过程与三维结果一致,验证了使用三维DSMC方法来解决微尺度低速的稀薄气流问题的可行性.三维模拟结果表明Taylor涡以较大的圆周速度绕轴旋转,二维模拟则无法体现.对不同的内圆柱旋转速度进行数值模拟,确定了能够产生Taylor涡的临界速度值.
文摘NS-DSMC(Navier Stokes-Direct Simulation Monte Carlo)耦合方法是计算连续-稀薄跨流域流动的主要方法,应用过程中如何确定连续流域和稀薄流域的界面是此方法的关键问题之一,界面位置通常通过连续失效参数来判定.为合理选择连续失效参数,对目前广泛使用的两种连续失效参数KnQ和B参数进行了理论上的分析和比较,表明虽然他们建立的出发点不同,但在数学形式上具有一定相似性.通过圆柱绕流问题的数值试验进一步验证了两种连续失效参数具有一定对应关系.KnQ和B两种连续失效参数在NS-DSMC耦合方法中应用效果相差不大,但KnQ的阈值0.05适用范围较广,而B参数的阈值对不同流动问题会有变化.
文摘吸气式电推进(air-breathing electric propulsion,ABEP)系统使用超低轨道大气作为工质,可突破推进剂携带量对卫星使用寿命的限制瓶颈,是超低轨卫星实现长期驻留的关键技术途径之一.本文采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo,DSMC)计算方法,对二维的ABEP进气道模型进行模拟.设定壁面碰撞模型为完全漫反射,在进气道的进口直径保持定值的前提下,改变进气道的长纵比、出口锥角、栅格长度和栅格层数,以分别探究这些影响因素单一作用下的进气道性能变化规律.在单一影响规律的前提下,利用遗传算法进行多目标优化,得到符合设计要求的高性能进气道设计参数,通过权重分配实现了典型高度下进气道设计中收集效率与压缩比的最优解.本研究对大气收集器产品的工程化应用具有指导意义.
文摘研究了应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法的直角网格技术.通过对边界三角形表面微元进行统计,建立直角网格缺陷单元与表面微元之间的映射关系,并进一步将缺陷单元区分为一级缺陷单元以及二级缺陷单元,同时结合可变时间步长技术,从根本上解决了在DSMC方法中利用直角网格技术贴体光滑地匹配复杂几何型面的问题.给出了相应的自适应网格调整方法.基于以上策略,编制了通用DSMC计算程序RGD-Tool(Rarefied Gas Dynamic Tool).利用RGD-Tool程序对典型的圆球绕流以及无限薄斜挡板绕流两个算例进行了验证计算,结果表明所讨论直角网格技术是有效的.
文摘研究了Voronoi网格技术并将其应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算.基于Dirichlet镶嵌与Voronoi图理论,Voronoi网格利用特征点表征网格单元,具有建立粒子与网格单元之间映射关系的独特算法,适合于DSMC方法的统计特点.在剔除过于靠近边界的特征点以及必要情况下边界细化的基础上,通过区分由边界节点表征的非完整Voronoi网格单元以及由计算区域内镶嵌点表征的完整Voronoi网格单元,解决了Voronoi网格的二维边界匹配问题.Voronoi网格技术支持自适应DSMC计算.映射效率对比表明,Voronoi网格的DSMC计算效率高于三角形网格,低于多级直角网格.通过MEMS微喷管流动数值模拟,验证了Voronoi网格技术在DSMC方法中的有效性.
文摘研究了适合在三维直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法计算中根据入口边界条件合理地布置进入计算区域内粒子参数的边界采样技术.提出了一种根据穿越入口边界、出口边界以及撞击壁面边界的粒子统计数据获取边界位置处宏观流场参数的新型边界统计技术,弥补了DSMC计算中传统统计技术仅能够获取流场内部参数,不能够获取界面处流场参数的不足.这种界面统计技术具有普遍的适用性,不仅限于DSMC方法.以无穷远来流圆球绕流为例进行计算,验证了DSMC方法的边界采样与统计技术的有效性.
文摘理论分析表明,Laux提出的DSMC(Direct Simulation of Monte Carlo)方法中的当地时间步长法尽管能够显著缩短流场达到稳定所需的CPU计算时间,提高DSMC程序的运行效率,却存在仿真分子运动和碰撞计算复杂,并需要耗费额外计算机内存的缺憾.对Laux的方法中仿真分子的运动处理时机提出了改进,并改变了其碰撞抽样方法,从而简化了仿真分子的运动和碰撞计算处理,避免了额外的计算机内存消耗.应用改进后的自适应时间步长法,对圆柱的稀薄气体绕流进行了采用和未采用改进的自适应当地时间步长法的对比计算.结果表明,改进后的自适应当地时间步长法能明显缩短流场达到稳定所需的计算时间,对流场模拟结果产生的影响却非常小.
