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两组分混合气体多尺度流动广泛存在于温室气体埋存、页岩气开采、航天器再入等领域,是环境、能源以及航空航天等领域急需解决的共性科学问题。由于涉及到尺度效应和不同组分之间相互作用,两组分气体多尺度传输机理较为复杂,理论分析和实验方法在研究这类问题时面临挑战。随着计算技术和计算机性能的提升,求解介观动理学模型方程成为研究这类问题的有效手段,其中近年来提出的离散统一动理学格式(DiscreteUnifiedGasKineticScheme,DUGKS)是一种具有渐近保持性的数值方法,能够高效模拟多尺度流动。目前DUGKS的相关研究均是针对单组分气体的多尺度输运问题,还缺乏对两组分气体的系统研究。本文正是基于上述背景,发展了两组分气体DUGKS,研究了两组分气体多尺度传输问题。本文工作包含以下几个方面:
首先,基于多组分气体单松驰模型方程,发展了用于研究Maxwell分子组成的两组分气体的DUGKS。由于每种组分碰撞不守恒,两组分气体DUGKS对碰撞项的半隐式处理不仅体现了组分间相互作用,而且保证了该格式的渐近保持(AsymptoticPreserving,AP)性质。通过数值实验,我们验证了该格式在模拟两组分气体多尺度高速流动、管道流以及剪切流动的有效性。
其次,为了克服单松驰模型的缺陷,正确恢复所有的输运系数,基于多组分气体McCormack模型,发展了适用于线性流动的两组分气体DUGKS。与单松驰模型相比,McCormack模型能够使用不同的分子作用势来描述分子之间更复杂的相互作用。通过模拟两组分气体多尺度线性剪切流动和传热问题,验证了DUGKS的准确性。得益于DUGKS的AP性质,在模拟近低速流动时DUGKS的计算效率远优于经典的直接模拟蒙特卡洛方法。
再次,结合上述发展的针对两组分气体线性流动DUGKS,研究了两组分气体平板振动Couette流动。通过与单组分气体工况对比,分析了气体稀薄程度、平板振动频率、组分质量比和摩尔浓度对混合气体渗透深度、速度振幅以及剪切应力振幅的影响。结果表明,组分质量比约为2的混合气体的流动特性与单组分气体情形接近,而组分质量比高达32.8的混合气体受摩尔浓度的影响很大:在高频振动流域,当轻组分浓度较大时,不同于单组分气体的单调变化趋势,混合气体的速度和剪切应力振幅在平板间非单调地变化,在距离振动平板约一个分子平均自由程距离处存在极小值点。
最后,在一维振动剪切流动的基础上,研究了两组分气体振动方腔流中的共振与反共振现象。研究发现,振动方腔流中的反共振现象使得混合气体阻尼力小于一维情形的结果。特别地,研究结果表明:当两组分质量比约为2时,混合气体发生共振与反共振对应的Strouhal数(代表上板振动频率)与单组分气体情形相近,且对摩尔浓度不敏感;当两组分质量比达到32.8时,随着轻组分浓度的增大,混合气体中共振与反共振现象对应的Strouhal数与单组分气体结果的偏差逐渐增大,特别是当轻组分浓度远大于重组分时,在近连续流域混合气体不再发生共振与反共振现象。
总之,本文基于两种动理学模型方程分别发展了两组分气体DUGKS,并通过数值模拟验证了DUGKS在模拟两组分混合气体多尺度流动的有效性。基于已构建的格式,本文系统研究了两组分气体多尺度的一维和二维振动剪切流动问题。本文的工作为深入研究两组分混合气体的多尺度传输机理提供了必要的手段。
首先,基于多组分气体单松驰模型方程,发展了用于研究Maxwell分子组成的两组分气体的DUGKS。由于每种组分碰撞不守恒,两组分气体DUGKS对碰撞项的半隐式处理不仅体现了组分间相互作用,而且保证了该格式的渐近保持(AsymptoticPreserving,AP)性质。通过数值实验,我们验证了该格式在模拟两组分气体多尺度高速流动、管道流以及剪切流动的有效性。
其次,为了克服单松驰模型的缺陷,正确恢复所有的输运系数,基于多组分气体McCormack模型,发展了适用于线性流动的两组分气体DUGKS。与单松驰模型相比,McCormack模型能够使用不同的分子作用势来描述分子之间更复杂的相互作用。通过模拟两组分气体多尺度线性剪切流动和传热问题,验证了DUGKS的准确性。得益于DUGKS的AP性质,在模拟近低速流动时DUGKS的计算效率远优于经典的直接模拟蒙特卡洛方法。
再次,结合上述发展的针对两组分气体线性流动DUGKS,研究了两组分气体平板振动Couette流动。通过与单组分气体工况对比,分析了气体稀薄程度、平板振动频率、组分质量比和摩尔浓度对混合气体渗透深度、速度振幅以及剪切应力振幅的影响。结果表明,组分质量比约为2的混合气体的流动特性与单组分气体情形接近,而组分质量比高达32.8的混合气体受摩尔浓度的影响很大:在高频振动流域,当轻组分浓度较大时,不同于单组分气体的单调变化趋势,混合气体的速度和剪切应力振幅在平板间非单调地变化,在距离振动平板约一个分子平均自由程距离处存在极小值点。
最后,在一维振动剪切流动的基础上,研究了两组分气体振动方腔流中的共振与反共振现象。研究发现,振动方腔流中的反共振现象使得混合气体阻尼力小于一维情形的结果。特别地,研究结果表明:当两组分质量比约为2时,混合气体发生共振与反共振对应的Strouhal数(代表上板振动频率)与单组分气体情形相近,且对摩尔浓度不敏感;当两组分质量比达到32.8时,随着轻组分浓度的增大,混合气体中共振与反共振现象对应的Strouhal数与单组分气体结果的偏差逐渐增大,特别是当轻组分浓度远大于重组分时,在近连续流域混合气体不再发生共振与反共振现象。
总之,本文基于两种动理学模型方程分别发展了两组分气体DUGKS,并通过数值模拟验证了DUGKS在模拟两组分混合气体多尺度流动的有效性。基于已构建的格式,本文系统研究了两组分气体多尺度的一维和二维振动剪切流动问题。本文的工作为深入研究两组分混合气体的多尺度传输机理提供了必要的手段。