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基于DSMC方法的涡轮分子泵跨流态抽气性能研究

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东北大学学报（自然科学版） 2020年第11期41卷 1623-1627,1632页

作者：李博马兆俊王晓冬巴德纯东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

基于直接模拟蒙特卡洛(dsmc)方法,可以计算获得涡轮分子泵叶列在不同稀薄气体流态下的抽气性能.通过改变涡轮叶列旋转速度、气体入口结构尺寸及被抽气体温度等参数,能够得到涡轮分子泵最大抽气效率和最大压缩比的变化情况.比较各参数在... 详细信息

基于直接模拟蒙特卡洛(dsmc)方法,可以计算获得涡轮分子泵叶列在不同稀薄气体流态下的抽气性能.通过改变涡轮叶列旋转速度、气体入口结构尺寸及被抽气体温度等参数,能够得到涡轮分子泵最大抽气效率和最大压缩比的变化情况.比较各参数在不同流态下对抽气性能的影响程度,并计算不同流态下涡轮叶列返流的变化.计算得出增大叶片速度在分子流态下对涡轮分子泵性能的提升最为明显,缩小气体入口面积可以提升涡轮分子泵压缩比等结论.从而为提升涡轮分子泵抽气性能提供了手段,拓展了涡轮分子泵的工作范围.

关键词：涡轮分子泵 DSMC方法跨流态抽气效率压缩比

基于dsmc-CFD方法的气固两相流冲蚀预测研究

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表面技术 2020年第9期49卷 274-280页

作者：孙晓阳曹学文谢振强付晨阳中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院山东青岛266580

目的研究气固两相流中固体颗粒间碰撞对冲蚀的影响。方法使用Eulerian-Lagrangian方法,将气相作为连续相,通过Navier-Stokes方程求解,颗粒平移运动由离散相模型(DPM)求解。颗粒间碰撞运动采用直接模拟蒙特卡罗(dsmc)方法进行模拟,用少... 详细信息

目的研究气固两相流中固体颗粒间碰撞对冲蚀的影响。方法使用Eulerian-Lagrangian方法,将气相作为连续相,通过Navier-Stokes方程求解,颗粒平移运动由离散相模型(DPM)求解。颗粒间碰撞运动采用直接模拟蒙特卡罗(dsmc)方法进行模拟,用少量采样颗粒代替真实颗粒计算颗粒间碰撞,碰撞的发生条件通过修正的Nanbu方法判定,碰撞过程遵循颗粒间碰撞动力学模型,采用Grant-Tabakoff随机颗粒-壁面碰撞反弹模型,计算颗粒与壁面的碰撞运动。将颗粒运动信息导入5种不同的冲蚀模型,并将计算与未计算颗粒间碰撞的冲蚀预测模拟结果与实验数据进行对比。结果颗粒间碰撞位置主要分布在90°弯头外拱侧的颗粒高浓度区,随着颗粒质量流量的增大,颗粒碰撞次数增加,且直管段中碰撞次数占比增大。随着入口速度的增大,颗粒碰撞次数减少。使用dsmc-CFD方法计算的最大冲蚀位置沿弯管外拱轴线向高角度方向偏移,且数值比忽略颗粒间碰撞的CFD方法约低5%~15%,总冲蚀率则两者区别不大。结论引入DSMC方法计算颗粒间的碰撞,可以节省大量算力。弯管处发生颗粒间碰撞,dsmc-CFD冲蚀预测方法更符合实际,使用dsmc-CFD方法的Oka模型与实验测得值最贴近。

关键词：气固两相流冲蚀颗粒碰撞弯管 DSMC方法 CFD

壁面辐射平衡DSMC方法及其在双锥构型中应用

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空气动力学学报 2021年第5期39卷 75-81页

作者：金浩方明李埌全刘沙钟诚文西北工业大学航空学院西安710072 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

临近空间高超声速飞行器在高空长时间飞行,受气流加热影响,飞行器表面温度显著升高,依赖地面试验和传统dsmc仿真预测的热流值明显高于飞行观测值,导致飞行器防热系统的保守设计。本文发展了一种基于壁面辐射平衡的dsmc边界模型,通过热... 详细信息

临近空间高超声速飞行器在高空长时间飞行,受气流加热影响,飞行器表面温度显著升高,依赖地面试验和传统dsmc仿真预测的热流值明显高于飞行观测值,导致飞行器防热系统的保守设计。本文发展了一种基于壁面辐射平衡的dsmc边界模型,通过热流值反算辐射平衡壁面温度,并以此温度作为下一个时间步dsmc计算的边界条件,迭代更新至给出壁面温度的收敛值。基于该温度边界条件,开发了适用于轴对称构型的dsmc求解器,并以钝锥构型对计算模型和求解器进行了验证。重点针对激波风洞试验条件下的双锥构型,开展数值模拟研究,结果表明:该构型恒温冷壁条件得到的壁面压力分布和热流与风洞试验结果吻合,两种温度条件下的压力峰值差异约为15.4%,但是整体气动力特性差异仅约为0.33%;相对于冷壁,辐射平衡计算得到的前缘处热流峰值降低约50%,再附点处的热流峰值降低约三分之二;两种条件相结合,可以给出壁面热流的预测范围。

关键词： DSMC方法辐射平衡壁面边界壁面热流双锥绕流高超声速

解耦N-S/DSMC方法计算推力器真空羽流的边界条件研究

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推进技术 2014年第7期35卷 897-904页

作者：唐振宇贺碧蛟蔡国飙北京航空航天大学宇航学院北京100191

准确模拟羽流流场是合理评估空间推力器真空羽流效应的基础。因羽流流场同时包含连续和稀薄两种流动机理,通常采用解耦方式的Navier-Stokes(N-S)方程和直接模拟蒙特卡罗(dsmc)混合方法对其进行模拟。为保证解耦N-S/DSMC方法应用于羽流... 详细信息

准确模拟羽流流场是合理评估空间推力器真空羽流效应的基础。因羽流流场同时包含连续和稀薄两种流动机理,通常采用解耦方式的Navier-Stokes(N-S)方程和直接模拟蒙特卡罗(dsmc)混合方法对其进行模拟。为保证解耦N-S/DSMC方法应用于羽流计算时的准确性并尽量提高其计算效率,对计算中的dsmc入口和喷管壁面等边界条件设置问题开展了研究。通过与文献中低总压工况的羽流试验数据比较,确定了合理设置dsmc入口边界位置、壁面反射类型、壁温等边界条件的方法。针对将此方法应用于实际推力器工况计算时效率过低的问题,通过多种数值试验,表明从喷管出口处开始沿KnGL为0.05的等值线作为dsmc入口界面可同时保证仿真精度和较高的计算效率;并证明实际工况下壁温设置对羽流场仿真结果影响不大。

关键词：解耦N-S/DSMC方法推力器真空羽流边界条件 DSMC方法

稀薄流中基于碰撞分子特定次序的dsmc改进方法

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弹道学报 2018年第3期30卷 25-29页

作者：张利史金光韩宇南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094 海军驻沈阳弹药专业军事代表室辽宁沈阳110045

针对高超声速弹箭前方绕流流场中气体分子间碰撞导致复杂化学反应的问题,提出了一种化学反应类型取决于碰撞分子特定次序的dsmc(direct simulation Monte Carlo)改进方法。在变径硬球模型、Larsen-Borgnakke唯象论模型和Bird的化学反应... 详细信息

针对高超声速弹箭前方绕流流场中气体分子间碰撞导致复杂化学反应的问题,提出了一种化学反应类型取决于碰撞分子特定次序的dsmc(direct simulation Monte Carlo)改进方法。在变径硬球模型、Larsen-Borgnakke唯象论模型和Bird的化学反应概率模型的基础上,先取五组元(N2,O2,N,O,NO)混合气体间的离解、置换和复合反应为主要化学反应类型,采用Fortran语言编制了气体分子化学反应的dsmc源程序,模拟了高超声速二维圆柱绕流,并将模拟结果与有关文献中的理论数据进行了比较,在80 km,85 km,90 km处,圆柱表面处的热流系数峰值误差分别为1.1%,2.0%和1.9%,数值结果验证了该方法的可行性和合理性。

关键词： DSMC方法碰撞分子离解反应置换反应复合反应

基于切割单元直角坐标网格的DSMC方法及优化技术

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南京航空航天大学学报 2016年第4期48卷 486-494页

作者：周士杰夏健陈晓霞徐兆可高宜胜南京航空航天大学航空宇航学院南京210016 上海冯卡门计算机科技有限公司上海201100

对传统直角坐标网格进行改进,根据计算机图形学对与物面相交的正方形网格进行切割,使单元与物面贴体,并能根据流场的变化对网格区域进行局部加密。结合直角坐标网格与非结构网格的特点,编写了自适应直角坐标网格的生成程序,并发展了基... 详细信息

对传统直角坐标网格进行改进,根据计算机图形学对与物面相交的正方形网格进行切割,使单元与物面贴体,并能根据流场的变化对网格区域进行局部加密。结合直角坐标网格与非结构网格的特点,编写了自适应直角坐标网格的生成程序,并发展了基于切割单元直角坐标网格的直接模拟蒙特卡洛(Direct simulation Monte Carlo,dsmc)方法。同时通过当地模拟分子数、动态时间步长技术优化DSMC方法,提升计算效率。数值结果表明,本方法在计算过程中使搜索效率得到大大提升,同时也保证了物面网格单元的贴体性,提高了物面附近流场的计算精度,还易于实现网格自适应。

关键词： DSMC方法直角坐标网格切割单元网格自适应

Convergence proof of the dsmc method and the Gas-Kinetic Unified Algorithm for the Boltzmann equation

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2013年第2期56卷 404-417页

作者： LI Zhi Hui FANG Ming JIANG XinYu WU JunLin Hypervelocity Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center National Laboratory for Computational Fluid Dynamics

This paper investigates the convergence proof of the Direct Simulation Monte Carlo(dsmc) method and the Gas-Kinetic Unified Algorithm in simulating the Boltzmann equation.It can be shown that the particle velocity distribution function obtained by the dsmc method converges to a modified form of the Boltzmann equation,which is the equation of the gas-kinetic unified algorithm to directly solve the molecular velocity distribution function.Their convergence is derived through mathematical treatment.The collision frequency is presented using various molecular models and the local equilibrium distribution function is obtained by Enskog expansion using the converged equation of the dsmc method.These two expressions agree with those used in the unified algorithm.Numerical validation of the converging consistency between these two approaches is illustrated by simulating the pressure driven Poiseuille flow in the slip transition flow regime and the two-dimensional and three-dimensional flows around a circular cylinder and spherical-cone reentry body covering the whole flow regimes from low speed micro-channel flow to high speed non-equilibrium aerothermodynamics.

关键词：玻耳兹曼方程 DSMC方法收敛性证明气体动力学统一算法 Boltzmann方程 Poiseuille流速度分布函数

考虑时间相关性的DSMC方法统计误差分析（英文）

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应用数学和力学 2016年第12期37卷 1403-1409页

作者：李锦耿湘人陈坚强江定武中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所四川绵阳621000

过去的半个世纪,DSMC方法已经成为求解稀薄气体流动最有力的数值工具.它的精度问题得到了许多研究者的关注.DSMC方法的误差可以分为两类,一类是统计误差,另一类是数值误差.在DSMC方法中,宏观流动性质是通过对微观分布信息的抽样平均而... 详细信息

过去的半个世纪,DSMC方法已经成为求解稀薄气体流动最有力的数值工具.它的精度问题得到了许多研究者的关注.DSMC方法的误差可以分为两类,一类是统计误差,另一类是数值误差.在DSMC方法中,宏观流动性质是通过对微观分布信息的抽样平均而得到的,因此模拟结果本质上是符合概率统计的,需要对由于有限的抽样步数而导致的统计误差进行仔细地量化考察.统计误差在DSMC方法中占有重要的地位,但是直到今天仍没有被完全研究清楚.尽管前人做了一些研究,但是通常都假设抽样结果是相互独立的,对于获得精确结果所需的最小抽样步数,还没有清晰统一的认识.时间相关性会增加统计误差理论分析的难度,因此在已有的工作中很少被考虑到.使用统计学中的自相关函数以及修正的中心极限定理,可以量化抽样结果中的时间相关性.在考虑抽样结果时间相关性的基础上,研究了DSMC方法中的统计误差,考核算例为一维的Couette流动问题.量化的结果显示,时间相关性对统计误差的影响很大.时间相关性可增大随机变量抽样序列的方差.

关键词： DSMC方法统计误差时间相关 Couette流动

应用DSMC方法研究烟幕颗粒的撞击扩散特性

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空气动力学学报 2014年第3期32卷 395-399页

作者：刘国生关华宋东明张祺祺南京理工大学化工学院南京210094

为研究烟幕撞击喷撒过程中颗粒的扩散特性，依据颗粒碰撞动力学理论，建立了烟幕撞击扩散动力学模型，采用直接模拟 Monte Carlo 方法进行数值模拟，分析了气相流场、烟幕颗粒速度场及其浓度分布规律。结果表明，dsmc 方法能够有效的模... 详细信息

为研究烟幕撞击喷撒过程中颗粒的扩散特性，依据颗粒碰撞动力学理论，建立了烟幕撞击扩散动力学模型，采用直接模拟 Monte Carlo 方法进行数值模拟，分析了气相流场、烟幕颗粒速度场及其浓度分布规律。结果表明，dsmc 方法能够有效的模拟烟幕颗粒的运动与碰撞过程；烟幕射流碰撞后发生转向，其速度减弱约65％～75％，以近似球顶锥体的形态逐步向外扩散；烟幕浓度的极大值集中在射流及碰撞区，在此区域外，烟幕颗粒的碰撞效应减弱，随机扩散作用使烟幕的浓度梯度随高度增加迅速减小，烟幕颗粒的空间分布也变得更加均匀。

关键词： DSMC方法烟幕两相流撞击扩散数值模拟