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一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式
1
作者 王勇 刘沙 +1 位作者 卓丛山 钟诚文 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2022年第3期87-97,I0002,共12页
运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上,采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术,并耦合计算结构动力学,实现适用于低速流动运动边界及流固耦合... 运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上,采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术,并耦合计算结构动力学,实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面,进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟,计算结果与参考文献结果吻合良好,准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围,将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型,对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题,但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力,对此进行了Ma=5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。 展开更多
关键词 离散统一气体动理学格式 任意拉格朗日-欧拉方法 流固耦合 圆柱绕流 稀薄气体效应
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尺度自适应的离散统一气体动理学格式及在可压缩流动中的应用
2
作者 许丁 孙祥 刘欣 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第2期232-243,共12页
基于Boltzmann-Shakhov模型方程,建立其沿特征线离散的一般形式,离散过程中对于碰撞项的处理采用显式和隐式加权平均的方法,其中权系数依赖于当地努森数,可根据当地流动尺度不同进行自适应调节。通过权系数的引入,对文献现有离散统一气... 基于Boltzmann-Shakhov模型方程,建立其沿特征线离散的一般形式,离散过程中对于碰撞项的处理采用显式和隐式加权平均的方法,其中权系数依赖于当地努森数,可根据当地流动尺度不同进行自适应调节。通过权系数的引入,对文献现有离散统一气体动理学格式进行改进,发展出具有尺度自适应特性的离散统一气体动理学格式(Scale Adaptive Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,SADUGKS)。将SADUGKS格式应用于若干典型可压缩流动,对格式的有效性和尺度自适应特性进行了检验,所得数值结果与文献已有结果吻合较好,表明SADUGKS格式是一种求解宽范围努森数变化、跨流域多尺度流动问题的有效算法。 展开更多
关键词 气体动理学 统一格式 尺度自适应 Boltzmann-Shakhov模型 可压缩流动
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尺度自适应的离散统一气体动理学格式
3
作者 许丁 刘欣 孙祥 《工程数学学报》 CSCD 北大核心 2021年第5期610-626,共17页
本文基于Boltzmann-BGK模型方程,建立其沿特征线离散的一般形式,离散过程中对于碰撞项的处理采用显式和隐式加权平均的方法,其中权系数依赖于当地努森数,可根据当地流动尺度不同进行自适应调节.通过权系数的引入,在文献现有离散统一气... 本文基于Boltzmann-BGK模型方程,建立其沿特征线离散的一般形式,离散过程中对于碰撞项的处理采用显式和隐式加权平均的方法,其中权系数依赖于当地努森数,可根据当地流动尺度不同进行自适应调节.通过权系数的引入,在文献现有离散统一气体动理学格式基础上发展出具有尺度自适应特性的离散统一气体动理学格式.数学上讨论了权系数的取值范围,并从物理上分析了权系数的不同取值所对应的流动特征,理论上指出权系数的引入使得该方法可以根据当地流动尺度的不同进行自适应调节.最后通过四个流动问题对该格式进行了考察和检验,结果表明该格式在精度、稳定性、尺度自适应性、流动边界层分辨能力以及旋涡分离和再附的捕捉能力等方面均具有较好的表现. 展开更多
关键词 气体动理学 统一格式 尺度自适应 BOLTZMANN方程
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基于气液相界面捕捉的统一气体动理学格式 被引量：6
4
作者 王昭 严红 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第4期711-721,共11页
气液相界面运动的研究无论是在科学还是工程领域都是非常重要的.其中,非平衡流动的计算尤其受到关注.基于此,我们构造了捕捉气液相界面的统一气体动理学格式.由于统一气体动理学格式将自由输运和粒子碰撞耦合起来更新宏观物理量和微观... 气液相界面运动的研究无论是在科学还是工程领域都是非常重要的.其中,非平衡流动的计算尤其受到关注.基于此,我们构造了捕捉气液相界面的统一气体动理学格式.由于统一气体动理学格式将自由输运和粒子碰撞耦合起来更新宏观物理量和微观分布函数,故而可以求解非平衡流动.具体思路是,通过将范德瓦尔斯状态方程所表达的非理想气体效应引入统一气体动理学格式之中来捕捉气液相界面,两相的分离与共存通过范德瓦尔斯状态方程描述.由于流体在椭圆区域是不稳定的,因此气液相界面可以通过蒸发和凝结过程自动捕捉.如此,一个锋锐的相界面便可以通过数值耗散和相变而得到.利用该方法得到麦克斯韦等面积律(Maxwell construction)对应的数值解,并与其相应的理论解相比较,二者符合良好.而后,通过对范德瓦尔斯状态方程所描述的液滴表面张力进行数值计算,验证了Laplace定理.此外,通过模拟两个液滴的碰撞融合过程,进一步证明了该格式的有效性.但是,由于范德瓦尔斯状态方程的特性,其所构造的格式仅适用于液/气两相密度比小于5的情况. 展开更多
关键词 统一气体动理学格式 范德瓦尔斯状态方程 相界面捕捉 麦克斯韦等面积律 液滴表面张力
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气体动理学格式研究进展 被引量：18
5
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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一种简单的局部离散速度统一气体动理论格式
6
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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离散时空直接建模思想及其在模拟多尺度输运中的应用 被引量：8
7
作者 刘畅 徐昆 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第2期197-216,共20页
统一气体动理学格式是基于离散空间直接建模的思想构建的多尺度数值格式。本文对统一气体动理学格式近十年的发展进行总结,并对未来的发展方向进行展望。统一气体动理学格式的建模思路突破了传统偏微分方程数值离散求解的制约,回归物理... 统一气体动理学格式是基于离散空间直接建模的思想构建的多尺度数值格式。本文对统一气体动理学格式近十年的发展进行总结,并对未来的发展方向进行展望。统一气体动理学格式的建模思路突破了传统偏微分方程数值离散求解的制约,回归物理建模的出发点,基于守恒定律在离散时空有限尺度的控制体上进行建模,利用网格界面处的动理学方程时间演化解构建数值通量,从而构造出有限控制体上取决于网格尺度和时间步长的气体动力学控制方程。统一气体动理学格式建模有两个关键点:一是宏观守恒量与微观分布函数耦合演化,二是通过界面处的多尺度时间演化解构建数值通量。统一气体动理学格式是一种多尺度数值格式,根据网格努森数能够准确捕捉从稀薄到连续不同流域的流体物理。从某种意义上说气体动理学格式提供了有效的随不同网格努森数变化的连续性方程,即连续流的纳维-斯托克斯(N-S)方程和稀薄流的波尔兹曼(Boltzmann)是统一气体动理学格式在网格努森数很小和很大情况小逼近的两个极限方程。对于连续流的黏性边界层问题的捕捉,统一动理学格式不要求网格尺度小于粒子平均自由程。统一气体动理学格式成功应用于多尺度气体输运,等离子体输运,中子、光子输运,以及气固离散两相流等领域的数值模拟,在计算精度和计算效率上都体现出明显优势。尤其对于等离子体的输运计算,统一气体动理学格式提供了一个在连续变化尺度上的模拟方法,包括从求解电子、离子的自由输运的Vlasov动理学方程到连续流域内的双流体方程以及磁流体方程。本文总结了统一气体动理学格式的建模思想,数值性质,以及格式在不同领域的应用。 展开更多
关键词 直接建模方法 统一气体动理学格式 等离子体 离散两相流 辐射输运
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基于DUGKS的槽道湍流大涡模拟研究
8
作者 郭琳 沈杰 +3 位作者 彭程 郭照立 王连平 牛中国 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期3394-3408,共15页
基于介观数值模拟方法的大涡模拟(large eddy simulation,LES)是研究湍流的重要手段之一.离散统一气体动理学方法(discrete unified gas kinetic scheme,DUGKS)是一种相对较新的介观方法,其作为湍流大涡模拟工具的研究还处于起步阶段.... 基于介观数值模拟方法的大涡模拟(large eddy simulation,LES)是研究湍流的重要手段之一.离散统一气体动理学方法(discrete unified gas kinetic scheme,DUGKS)是一种相对较新的介观方法,其作为湍流大涡模拟工具的研究还处于起步阶段.文章通过耦合标准离壁Smagorinsky亚格子应力模型和Musker壁面模型,实现了DUGKS-LES介观大涡模拟方法.推导了在DUGKS中实现大涡模拟所需的有效总应力和修正分布函数非平衡态的关系式;通过壁面函数逆求解壁面剪切应力时,设计了可以保证收敛性的快速牛顿迭代法,并利用逆问题的近似解进一步提高了迭代效率.最后,分别对摩擦雷诺数为180,395和950的槽道湍流进行大涡模拟,并与相关文献中介观大涡模拟方法的结果进行了比较.结果表明,DUGKS-LES方法在准确性上具有优势,以谱方法模拟结果为基准,流向速度、雷诺应力和脉动速度等湍流统计量的均方误差均可以控制在11%以内.在DUGKS框架下,与文献中利用自适应亚格子应力模型相比,文章结合Musker壁面模型的处理方法,可以得到更精确的流向速度和雷诺切应力. 展开更多
关键词 离散统一气体动理学方法 大涡模拟 壁面模型 槽道湍流
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