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考虑高温热化学非平衡效应的气体动理论统一算法

发布时间:2018年10月30日 08:59   浏览次数:
报告人 吴俊林 年月 2018-11
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Weekly Seminar of Computational Science and Engineering

题目:考虑高温热化学非平衡效应的气体动理论统一算法

报告人:吴俊林(中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所)

时间:11月2日(星期五)16:00—17:00

地点:长江中心409

摘要:随着航空航天飞行器飞行高度的增加,稀薄气体效应愈加显著,连续介质假设不再成立,气体流动需要从更微观的分子层面进行分析。稀薄气体动力学就是研究高空稀薄环境下气动问题的一门学科。截止目前,国际上模拟稀薄气体流动的实验手段还不完善,主要难点除了气体稀薄度难以模拟外,还有稀薄流动一般伴随着极高速、极高温现象,稀薄和高温条件下的真实气体效应也是让人头疼的问题。

数值模拟手段主要有直接模拟蒙托卡罗(DSMC)和Boltzmann方程两个分支。其中,DSMC不求解方程,它通过直接模拟仿真分子的运动和碰撞过程,并进行统计平均获得气体流动特征。由于真实分子数密度极大,仿真分子数难以在数量级上达到这个水平,因此会产生统计误差、统计波动等问题,同时分子碰撞模型的选择对气体流动的模拟也是非常重要的。而基于Boltzmann方程的确定论方法则通过数值求解方程得到流动特征,这与连续流区的Navier-Stokes方程类似,但其高维属性和复杂的方程形式足以让人望而却步。

气体动理论统一算法(GKUA)是通过求解简化后的Boltzmann模型方程得到气体流动输运特性,其高维属性和方程复杂性并没有得到根本改善,因此求解过程还是相当复杂,需要应用离散速度坐标法和有限差分、有限体积等等数值求解技术,并且对于三维问题一般需要大规模并行计算才能实现。但同时,随着临近空间飞行器、再入返回式飞行器等的发展,稀薄过渡流区的流动分析愈加重要,发展基于Boltzmann模型方程的数值计算方法有重大意义。本文通过发展考虑真实气体效应、化学反应,甚至离解复合反应的模型方程,对于高速、高温、稀薄流动带来的复杂化学物理现象,有望得到一种模拟更加真实环境下气体流动的数值计算方法。

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