基于高阶GKS的三维非平衡多温度流动模拟

来源 :第十届全国流体力学学术会议 | 被引量 : 0次 | 上传用户:a86406186
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  对于越来越稀薄的流动,Navier-Stokes方程逐步失效部分归因于其单温度平衡近似.为了克服这个问题,基于Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)方程和Landau-Teller-Jeans弛豫模型的连续多温度模型已经被提出(K.Xu et al,2008,并成功应用于二维非平衡流计算.在最近的研究中,已经成功发展出应用于平衡流动的两步四阶气体GKS(L.Pan et al,2016),其不仅在空间和时间上实现了四阶精度并且高效稳健.
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S弯进气道能有效提高飞行器动力系统的气动性能,并具备良好的隐身特性,因此S弯进气道在先进战斗机(如F-18,F-35,FC-1等)中的应用越来越广泛。短距扩压S弯进气道易产生流动分离、二次流和流动畸变,具有复杂的气动特性,因此针对S弯进气道开展优化设计与分析具有重要意义。
使用混合笛卡尔网格方法,结合低速预处理技术,对NACA0012翼型和Caradonna-Tung旋翼进行了数值模拟。网格生成中,在物体表面生成贴体结构网格,其余部分使用笛卡尔网格进行填充,两套网格之间通过查找“贡献单元”方式进行流场信息传递。
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为了分辨更多的流场结构,高精度格式往往需要较好的色散和耗散特性。通常,线性优化方式(如:Dispersion-relation-preserving)常常用来调节差分格式的分辨能力。但是,这种方法往往会导致精度降低和低波数区域误差增加。
电热对流是电流体动力学的基础研究课题之一,涵盖了流体力学,传热学和电动力学等多个领域,因其内部多个物理场的复杂耦合而展现出丰富的流动结构和独特的传热特性。近年来,通过施加外电场实现对流体进行驱动的电导泵及其主动强化传热的技术以其效率高、损耗低、适用于特殊环境等优势获得了广泛的关注。
基于有限体积框架的气体动理学格式(K.Xu,2001)(GKS)已在模拟欧拉或N-S方程流动,特别是高速可压缩流动中取得了很大的成功.通过构造网格界面处的气体分布函数,GKS不仅可以得到通过界面的高阶时间通量,也可以得到高斯点下一时刻的宏观量.所以除了更新每个控制体的平均宏观量之外,GKS还可以通过高斯定理方便地得到控制体的平均一阶方向导数值.
基于分子动理论的格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是通过微观的分子运动力学推导演化而来的,具有清晰的物理背景、并行特性、易于处理边界条件和实现程序实施,以及计算稳定的优点。浸入边界法(Immersed Boundary Method,IBM)对模拟大变形柔性结构与流体相互作用问题具有极大优越性。由于LBM与IBM使用的都是笛卡尔网格系统,本文有效
炸药爆轰反应流动的数值模拟以拉格朗日方法应用最为广泛,特别是交错网格型拉格朗日方法(运动量定义在网格节点、状态量定义在网格单元中心),但是,交错网格型拉格朗日方法存在如下几个主要问题:1)流动的内能方程便于求解而非总能量方程被求解,因此系统的总能量难以保持守恒;2)人为粘性用于捕捉爆轰波时爆轰波间断往往被抹平或者产生非物理振荡,且人为粘性表达形式及系数靠经验确定;3)时间方向和空间方向的离散均仅为
浸润边界-格子波尔兹曼通量求解方法(IB-LBFS)是一种在笛卡尔网格中计算复杂外形非定常流动问题的新方法。其应用有限体积方法,通过在单元界面进行基于格子波尔兹曼方法(LBM)的通量重构进行流场求解,相对于传统的LBM方法提高了计算效率和灵活性。通过应用隐式边界条件,实现了流场边界条件的精确满足。
本文介绍了作者在多区域流动问题上的一些进展,包括物理建模、数值算法和计算机模拟。首先我们提出了一系列的数值方法来捕捉多区域系统中存在的界面网络的时间演化。这些方法包括一种新颖的界面网络输运追踪格式,一种高阶精度重新初始化算法,和一种快速界面结构重构方法。这些方法具有高效、高精度、鲁棒和数值一致的优点,并且提供了一种与其他物理耦合的框架。