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稀薄气体流动的DSMC/EPSM混合算法研究

吴明巧  
【摘要】: 蒙特卡罗直接模拟方法(Direct Simulation of Monte Carlo Method),是稀薄气体动力 学中唯一获得巨大成功的数值方法[3]。但在密度较高的区域,如航天器再入大气飞行的 钝体前缘,DSMC方法因需耗费大量机时进行碰撞计算而很难得到实际应用。针对 DSMC方法的上述缺陷,Pullin[7]提出了平衡粒子模拟方法(EPSM,Equilibrium Particle Simulation Method)进行高密度理想气体流动的直接模拟,认为网格中模拟粒子碰撞后状 态满足局部平衡态分布,从而大大简化了高密度区模拟粒子间的碰撞计算,节约大量计 算机时。本文在其基础上,试图通过引入划分不同流动区域的“混合参数”技术,构造 两类能对流区作自动识别的DSMC/EPSM混合算法,以充分发挥DSMC与EPSM算法 的各自优势。应用DSMC/EPSM混合算法对二维超音速平板绕流流场与高超音速竖板绕 流流场及轴对称情况下高超音速平头圆柱绕流流场进行数值模拟,将结果与DSMC方 法的结果进行比较,验证了DSMC/EPSM混合算法的可行性与有效性。 为了拓广EPSM方法的应用,本文通过建立与高温气体化学反应动力学理论相匹配 的EPSM耦合模型,构造了可模拟含热力学非平衡及化学反应流动的DSMC/EPSM混 合算法,应用该算法对汲及化学反应的二维高超音速竖板绕流流场及轴对称情况下高超 音速平头圆柱绕流流场进行模拟,将结果与DSMC方法的结果进行比较,验证了新算 法对求解化学反应流的可行性。 通过对DSMC/EPSM混合算法与DSMC方法的计算效率的比较。发现在分子碰撞占 主导地位的区域,使用由本文提出的“混合参数”自动识别流区的EPSM法的确能够大 大提高计算效率。


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