Boltzmann-Rykov模型方程气体动理论统一算法与喷管流动

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作者 李凡 李志辉 陈爱国 《北京航空航天大学学报》 北大核心 2025年第2期553-562,共10页

为研究气体分子转动非平衡效应对喷管内流动的影响,在气体动理论统一算法(GKUA)计算框架下,发展了分子速度分布函数层次下考虑转动能影响的喷管流动边界条件数学模型,构造了直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式,数值求解了考... 为研究气体分子转动非平衡效应对喷管内流动的影响,在气体动理论统一算法(GKUA)计算框架下,发展了分子速度分布函数层次下考虑转动能影响的喷管流动边界条件数学模型,构造了直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式,数值求解了考虑转动能影响的Boltzmann-Rykov模型方程。通过对一维非定常激波管内流动、一维定常正激波结构及二维型面喷管内流动问题进行模拟研究,计算结果与理论解、文献值及实验数据相吻合,验证了统一算法对内流动问题的可行性与计算精度。分析了考虑转动能影响的喷管内流动流场,结果表明:可使用克努森数作为喷管流动特性和性能的表征。 展开更多

关键词 气体动理论 玻尔兹曼模型方程 气体动理论统一算法 转动非平衡 喷管流动

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一种简单的局部离散速度统一气体动理论格式

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作者 秦浩 宋亚辉 李凯 《计算力学学报》 CSCD 北大核心 2017年第6期800-806,共7页

统一气体动理论格式UGKS(Unified Gas-Kinetic Scheme)是一种适用于从连续流到自由分子流的全流域计算格式。在该格式中一般使用统一的离散速度空间。而在高速流动中,不同节点的分布函数往往差异很大。为了保证计算的精度,离散速度空间... 统一气体动理论格式UGKS(Unified Gas-Kinetic Scheme)是一种适用于从连续流到自由分子流的全流域计算格式。在该格式中一般使用统一的离散速度空间。而在高速流动中,不同节点的分布函数往往差异很大。为了保证计算的精度,离散速度空间必须满足所有节点的需要,占用了大量的内存。采用局部的均匀离散速度空间,离散速度的范围随节点状态的变化而变化,从而降低了内存的需要,并通过引入背景网格避免了不同节点离散速度的插值。最后,通过两个一维算例对该方法进行了测试。测试结果显示,采用局部离散速度空间能够得到可靠的结果,并且在模拟高速流动时计算效率明显提高。 展开更多

关键词 统一气体动理论格式 全流域 局部离散速度 背景网格 计算效率

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基于气体分子动理论的土壤孔隙结构特征研究 被引量：2

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作者 孙义亨 施少敏 +4 位作者 宋学姝 孟平 张劲松 任荣秀 陆森 《土壤》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期398-402,共5页

通过测定两种土壤和一种玻璃珠的两相热导率随气压的变化,分析变压条件下气体分子碰撞平均自由程和多孔介质孔隙结构间的关系。研究计算了表征土壤平均孔隙结构的孔隙特征长度(d),同时依据静态几何学方法计算获取了颗粒平均间距(D)。结... 通过测定两种土壤和一种玻璃珠的两相热导率随气压的变化,分析变压条件下气体分子碰撞平均自由程和多孔介质孔隙结构间的关系。研究计算了表征土壤平均孔隙结构的孔隙特征长度(d),同时依据静态几何学方法计算获取了颗粒平均间距(D)。结果表明,基于热传输方法获取的d值是从气体分子碰撞传热的动态观点获取的孔隙结构表征,标识着土壤颗粒间的热分离特征,是表征土壤孔隙结构的有效指标。由于土壤的d和D值相差3个数量级,但在玻璃珠上无量级差异,这说明d值可能只能表征土壤团聚体间的平均孔隙结构,不能反映团聚体内部及黏土颗粒内部的微细孔隙结构。 展开更多

关键词 土壤 孔隙结构 热导率 气体分子动理论

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气体动理学格式研究进展 被引量：18

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作者 李启兵 徐昆 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2012年第5期522-537,共16页

介绍了近年来气体动理学格式(gas-kinetic scheme,GKS,亦简称BGK格式)的主要研究进展,重点是高阶精度动理学格式及适合从连续流到稀薄流全流域的统一动理学格式.通过对速度分布函数的高阶展开和对初值的高阶重构,构造了时间和空间均为... 介绍了近年来气体动理学格式(gas-kinetic scheme,GKS,亦简称BGK格式)的主要研究进展,重点是高阶精度动理学格式及适合从连续流到稀薄流全流域的统一动理学格式.通过对速度分布函数的高阶展开和对初值的高阶重构,构造了时间和空间均为三阶精度的气体动理学格式.研究表明,相比于传统的基于Riemann解的高阶格式,新格式不仅考虑了网格单元界面上物理量的高阶重构,而且在初始场的演化阶段耦合了流体的对流和黏性扩散,也能够保证解的高阶精度.该研究为高精度计算流体力学(computatial fluid dymamics,CFD)格式的建立提供了一条新的途径.通过分子离散速度空间直接求解Boltzmann模型方程,在每个时间步长内将宏观量的更新和微观气体分布函数的更新紧密地耦合在一起,建立了适合任意Knudsen(kn)数的统一格式,相比于已有的直接离散格式具有更高的求解效率.最后,本文还讨论了合理的物理模型对数值方法的重要性.气体动理学方法的良好性能来自于Boltzmann模型方程对计算网格单元界面上初始间断的时间演化的准确描述.气体自由运动与碰撞过程的耦合是十分必要的.通过分析数值激波层内的耗散机制,我们认识到采用Euler方程的精确Riemann解作为现代可压缩CFD方法的基础具有根本的缺陷,高马赫数下的激波失稳现象不可避免.气体动理学格式为构造数值激波结构提供了一个重要的可供参考的物理机制. 展开更多

关键词 气体动理论 高精度动理学格式 统一动理学格式 BGK方程

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自由分子流区气体外掠平板/圆柱体流动与传热预测 被引量：2

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作者 谢福寿 雷刚 +3 位作者 徐元元 陈强 邱一男 厉彦忠 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期6-12,共7页

针对自由分子流区稀薄气体外掠物体流动与传热问题,基于气体分子动理论方法和相对坐标系思想,推导了预测大气外掠平板和圆柱体传热与流动的无量纲表达式,讨论了雷诺数、马赫数和克努森数对阻力与传热性能的影响。结果表明:在马赫数一定... 针对自由分子流区稀薄气体外掠物体流动与传热问题,基于气体分子动理论方法和相对坐标系思想,推导了预测大气外掠平板和圆柱体传热与流动的无量纲表达式,讨论了雷诺数、马赫数和克努森数对阻力与传热性能的影响。结果表明:在马赫数一定时,随着克努森数不断增加,稀薄气体外掠物体换热能力逐渐减弱;在克努森数一定时,低马赫数(Ma<0.1)对传热性能影响不大,但高马赫数(Ma>0.1)对传热性能影响显著;随着马赫数增加,流动阻力先急剧下降,当到达超声速时逐渐变缓。该研究结果可为飞行器在自由分子流区流动与传热性能预测方面提供理论依据和技术支持。 展开更多

关键词 自由分子流区 稀薄气体 流动与传热 气体分子动理论 克努森数

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轴对称Boltzmann模型方程统一算法与空天飞行环境喷管流动模拟

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作者 李凡 李志辉 +2 位作者 李中华 罗万清 陈爱国 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2024年第2期47-55,I0001,共10页

拦截机动飞行器周围大范围区域存在主喷/侧喷流/羽流影响,而传统的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程不能很好模拟发动机喷管扩张段出口附近流动情况,需要一种新的方法来处理这种全流域流动问题。为解决该问题,针对特定轴对称喷管... 拦截机动飞行器周围大范围区域存在主喷/侧喷流/羽流影响,而传统的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程不能很好模拟发动机喷管扩张段出口附近流动情况,需要一种新的方法来处理这种全流域流动问题。为解决该问题,针对特定轴对称喷管内流动,本文通过数学推导确立描述不同克努森数稀薄环境条件下的轴对称喷管内流动Boltzmann模型方程,初步建立适于该模型方程的数值格式与气体动理论统一算法。通过开展同轴圆筒间的定常/非定常旋转流动以及轴对称喷管内流动数值计算研究,发现统一算法计算流场与其他途径得到的结果吻合较好,验证了统一算法在全局克努森数喷管流动模拟的适应性和可靠性。通过与低密度风洞实验对比,喷管出口核心区羽流结构一致,羽流轴线压力分布一致,表明统一算法可以有效解决喷管入口压缩段到扩张段多流域混合,尤其是出口附近稀薄气体真空低压环境流动问题。 展开更多

关键词 轴对称喷管流动 气体动理论统一算法 BOLTZMANN模型方程 旋转库埃特流动 羽流环境

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跨流域空气动力学模拟方法与返回舱再入气动研究 被引量：16

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作者 李志辉 梁杰 +4 位作者 李中华 李海燕 吴俊林 戴金雯 唐志共 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2018年第5期826-847,共22页

针对回收类航天器(返回舱)再入过程所遇跨流域多尺度非平衡绕流问题,综述基于Boltzmann方程碰撞积分物理分析与可计算建模,构造考虑完全气体、转动非平衡、含振动能激发热力学非平衡效应各流域统一Boltzmann模型方程,及由此建立返回舱... 针对回收类航天器(返回舱)再入过程所遇跨流域多尺度非平衡绕流问题,综述基于Boltzmann方程碰撞积分物理分析与可计算建模,构造考虑完全气体、转动非平衡、含振动能激发热力学非平衡效应各流域统一Boltzmann模型方程,及由此建立返回舱再入气动力热绕流问题气体动理论统一算法研究进展与算法检验。作为方法间验证结合,进一步简述了融合再入热化学稀薄气体电离非平衡流动DSMC方法、近连续过渡流区N-S/DSMC耦合算法、经滑移边界修正的N-S方程解算器、低密度风洞实验测试等多种空气动力学模拟手段,建立求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法(GKUA)、DSMC、N-S/DSMC、滑移N-S解算器、低密度风洞实验验证补充,适于返回舱再入从外层空间自由分子流到近地面连续流跨流域空气动力学一体化模拟平台。将此平台用于再入H=110～30km各流域球体、高超声速尖前缘中空柱裙、返回式卫星球锥体、飞船返回舱稀薄过渡流以至近连续流区气动力/热与姿态配平绕流问题计算与实验分析比较,证实统一算法在高稀薄流区,与DSMC吻合很好;在连续流区,与(滑移)N-S解算器相一致;在中间过渡带,与N-S/DSMC耦合算法相容;具有全飞行流域很好的计算一致收敛性。简述了跨流域空气动力学几种模拟手段的适应性特点与展望,揭示了返回舱再入跨流域复杂高超声速流动变化规律。 展开更多

关键词 跨流域空气动力学 返回舱再入 Boltzmann方程可计算建模 气体动理论统一算法 DSMC-NS耦合算法

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转动非平衡玻尔兹曼模型方程统一算法与全流域绕流计算应用 被引量：12

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作者 李志辉 蒋新宇 +1 位作者 吴俊林 彭傲平 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第3期336-351,共16页

基于过去开展稀薄自由分子流到连续流气体运动论统一算法框架,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,确立含转动非平衡效应各流域统一玻尔兹曼模型方程.基于转动能量对分布函数守恒积分,得到计及转动非平衡效应气体分子速度分布函数方程组... 基于过去开展稀薄自由分子流到连续流气体运动论统一算法框架,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,确立含转动非平衡效应各流域统一玻尔兹曼模型方程.基于转动能量对分布函数守恒积分,得到计及转动非平衡效应气体分子速度分布函数方程组,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖速度空间离散降维;应用拓展计算流体力学有限差分方法,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式;基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡气体动理论边界条件数学模型及数值处理方法,提出模拟各流域转动非平衡效应玻尔兹曼模型方程统一算法.通过高、低不同马赫数1.5～25氮气激波结构与自由分子流到连续流全飞行流域不同克努森数(9×10-4～10)Ramp制动器、圆球、尖双锥飞行器、飞船返回舱外形体再入跨流域绕流模拟研究,将计算结果与有关实验数据、稀薄流DSMC模拟值等结果对比分析,验证统一算法模拟自由分子流到连续流再入过程高超声速绕流问题的可靠性与精度. 展开更多

关键词 玻尔兹曼模型方程 气体动理论 转动非平衡 离散速度坐标法 全流域绕流 统一算法

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大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用 被引量：6

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作者 李志辉 彭傲平 +5 位作者 马强 石卫波 党雷宁 梁杰 蒋新宇 唐小伟 《载人航天》 CSCD 北大核心 2020年第4期403-417,共15页

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(... 准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。 展开更多

关键词 非常规再入落区数值预报 板舱桁架结构大型航天器 跨流域空气动力学 BOLTZMANN模型方程 气体动理论统一算法 结构响应变形/毁坏有限元算法

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近空间飞行环境双原子混合气体黏性干扰平板流动直接模拟蒙特卡罗方法

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作者 胡佳志 李志辉 李凡 《哈尔滨工程大学学报》 2025年第9期1737-1744,共8页

近空间飞行器绕流环境一方面表现为连续介质黏性干扰效应严重,另一方面因稀薄间断粒子效应而表现为物面速度滑移、温度跳跃等非平衡流动特点,导致连续流Navier-Stokes方程精细化求解困难。以20°楔角平板绕流为研究对象,借助适于蒙... 近空间飞行器绕流环境一方面表现为连续介质黏性干扰效应严重,另一方面因稀薄间断粒子效应而表现为物面速度滑移、温度跳跃等非平衡流动特点,导致连续流Navier-Stokes方程精细化求解困难。以20°楔角平板绕流为研究对象,借助适于蒙特卡罗方法的经典现象学能量交换模型为基础,通过将全部碰撞视为非弹性,控制转、平动能量参与交换比例缓解内能松弛过快,开发一种限制碰撞能量交换且解耦碰撞分子转动双松弛的直接模拟蒙特卡罗方法计算程序。对比验证程序与统一算法、开源DS2V程序、直接模拟蒙特卡罗-信息保存3种方法在超声速圆柱绕流的计算结果,结果显示,忽略统计波动影响程序能再现精细的流场激波结构且最大误差仅为5.6%;在此基础上模拟马赫数对20°楔角平板的气动力热影响并对比分析程序与二维直接模拟蒙特卡罗方法程序计算速度,发现粒子数密度、温度以及压力在楔角位置明显累计,在考虑飞行器热防护设计时,应重点关注楔角位置;相同计算条件下该程序单位时间步长计算速度相比直接模拟蒙特卡罗方法程序快28.7%。 展开更多

关键词 临近空间飞行环境黏性干扰效应 Borgnakke-Larsen能量松弛模型 直接模拟蒙特卡罗方法 直接模拟蒙特卡罗-信息保存方法 气体动理论统一算法 圆柱绕流 平板扰流 马赫数

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自由分子区内的非球形颗粒曳力计算

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作者 常心泉 张克学 +1 位作者 王军 夏国栋 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1251-1260,共10页

基于气体动理论方法,推导得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式,并针对球形颗粒、圆柱体颗粒、椭球体颗粒和圆锥体颗粒等几种常见的非球形颗粒,得到其所受曳力的具体解析计算式.该模型适用于气体分子与颗粒表面仅发生一次碰撞的凸面体,... 基于气体动理论方法,推导得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式,并针对球形颗粒、圆柱体颗粒、椭球体颗粒和圆锥体颗粒等几种常见的非球形颗粒,得到其所受曳力的具体解析计算式.该模型适用于气体分子与颗粒表面仅发生一次碰撞的凸面体,假设气体分子与颗粒间的相互作用符合Maxwell镜面反射-漫反射模型,计算气体分子与颗粒碰撞过程中的微元动量传递,进而在颗粒表面积分得到非球形颗粒所受曳力的通用表达式.计算结果表明,颗粒所受曳力与其自身的几何形状和在流场中的取向有关.但是,基于非球形颗粒得到的计算式较为复杂,不便于实际应用.考虑到在自由分子区内,当外势场较弱时,颗粒的高速布朗旋转运动会使其取向分布近似为均匀的随机分布,文章推导得到了不同形状颗粒在均向分布下所受均向曳力的计算式,结果表明非球形颗粒所受均向曳力正比于颗粒表面积,且比例系数与颗粒形状无关.此算法避免了求解具体非球形颗粒受力计算的繁琐计算过程,更便于实际应用. 展开更多

关键词 非球形颗粒 曳力 自由分子区 气体动理论

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疏水材料微尺度凹坑流滑移速度特性研究

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作者 张昭朋 叶正寅 叶坤 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2024年第6期108-116,I0002,共10页

凹坑构型是疏水材料中常见且重要的结构形式,认识和揭示此类凹坑结构的滑移速度特性对于疏水材料的设计具有指导意义。本文采用离散统一气体动理论,在Kn=0.01~0.5范围内,对低速二维凹坑流动进行数值模拟,模拟结果表明,在不同Kn值下,滑... 凹坑构型是疏水材料中常见且重要的结构形式,认识和揭示此类凹坑结构的滑移速度特性对于疏水材料的设计具有指导意义。本文采用离散统一气体动理论,在Kn=0.01~0.5范围内,对低速二维凹坑流动进行数值模拟,模拟结果表明,在不同Kn值下,滑移速度规律呈现显著差异:随着凹坑尺寸减小(Kn> 0.3),凹坑区的滑移速度小于平滑壁面的滑移速度;而随着凹坑尺寸增大(Kn <0.2),凹坑区的滑移速度大于平滑壁面的滑移速度;在凹坑两端,统计平均滑移速度会出现跳跃,随着Kn数增加,这种跳跃现象越来越强。上述演化特征表明,在设计疏水微结构时,Kn不能大于0.3。 展开更多

关键词 疏水材料 微尺度 滑移速度特性 旋涡特性 离散统一气体动理论

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一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析

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作者 彭傲平 李志辉 +2 位作者 吴俊林 皮兴才 蒋新宇 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期2582-2594,共13页

临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大,在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象,流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关.通过分析... 临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大,在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象,流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关.通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼−恩斯科近似解,构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程,并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性,证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性,给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系,基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式.在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动,并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析,结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置,尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好,验证了新模型的有效性和可靠性,同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响. 展开更多

关键词 玻尔兹曼方程 气体动理论统一算法 查普曼−恩斯科近似解 考虑热流矢量与应力张量影响的碰撞模 型 气体分子碰撞松弛参数

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