Multiscale simulation of rarefied polyatomic gas flow via DIG method
提出一种多尺度数值方法，通过耦合宏观合成方程与DSMC，消除网格限制并加速收敛，在近连续流区域实现显著加速。
2025-01-19 physics.comp-ph
Multiscale simulation of interacting turbulent and rarefied gas flows in the DSMC framework
本文提出一种多尺度随机-确定性耦合方法，将通用合成迭代格式与SST湍流模型集成到DSMC中，实现湍流与稀薄气体流动的统一模拟，并验证了其在不同流动区域的自适应收敛性及在逆向射流中的应用效果。
2025-03-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Adaptive GSIS for rarefied gas flow simulations
本文提出自适应GSIS方法，仅在局部Knudsen数超过参考值的稀薄区求解Boltzmann方程，其余区域用带或不带高阶修正的Navier-Stokes方程，在近连续流模拟中显著降低计算内存和时间。
2025-01-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An immersed boundary method for the fluid--structure--thermal interaction in rarefied gas flow
本文提出一种结合滑移模型与惩罚浸入边界的方法，用于处理稀薄气体流固热相互作用，并通过多组验证与火星扑翼空气动力学应用证实了其有效性。
2023-05-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Capturing the influence of intermolecular potential in rarefied gas flows by a kinetic model with velocity-dependent collision frequency
本文提出了一种称为$ν$ -模型的动力学模型来代替复杂的Boltzmann碰撞算符，用于模拟稀薄单原子气体的流动。该模型遵循弛豫时间近似，但碰撞频率（即弛豫时间的倒数）是分子速度的函数，反映了Boltzmann方程中的部分碰撞细节，且弛豫所对应的目标速度分布函数（VDF）与Shakhov模型中的VDF接近.在数值模拟强非平衡激波的基础上，针对不同的分子间相互作用势，设计了一种半理论半经验的碰撞频率，大大提高了$ν$模型的计算精度，并分析了其产生机理. $ν$ -模型也表现出良好的典型稀薄微流，特别是在热蒸腾，其中与速度无关的碰撞频率的传统动力学模型缺乏区分的能力，分子间的潜力的影响。
2022-01-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An ALE-type discrete unified gas kinetic scheme for low-speed continuum and rarefied flow simulations with moving boundaries
本文将离散统一气体动力学格式（DUGKS）推广到任意拉格朗日-欧拉格式（ALE），以模拟低速连续流和稀薄流动。ALE方法将网格移动速度引入Boltzmann-BGK方程。本文提出的ALE型DUGKS算法采用了免重映射方案，避免了传统ALE方法中复杂的重分区和重映射过程。在某些应用领域，如果不能保证几何守恒性，则会引入较大的离散误差。讨论了几何守恒定律（GCL）的三种相容方法，并通过均匀流算例对这些方法进行了验证。为了说明本ALE型DUGKS的性能，进行了四个测试用例。其中两个是连续流情况，分别是绕振荡圆柱和俯仰NACA 0012翼型的流动。另一类是稀薄流动，一种是稀薄气体驱动的活塞运动，另一种是平板沿法向振动引起的流动。所有测试用例的结果与其他数值和/或实验结果吻合良好，表明本ALE型DUGKS的能力，以应付在不同的流态的移动边界问题。
2019-06-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
GSIS-ALE for moving boundary problems in rarefied gas flows
针对稀薄气体多尺度移动边界模拟的网格处理与效率难题，提出结合重叠网格、六自由度动力学的GSIS-ALE求解器，经四类问题验证其准确性与效率。
2024-08-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Grad's Distribution Function for 13 Moments based Moment Gas Kinetic Solver for Steady and Unsteady Rarefied flows: Discrete and Explicit Forms
稀薄流的有效模拟在实际工程应用中引起了广泛的兴趣。在本文中，我们提出了基于13矩的矩气体动力学求解器（G13-MGKS）的Grad分布函数，并基于有限体积框架下离散Boltzmann方程的矩积分推导了宏观控制方程。该方法可以直接从细胞界面周围点的Boltzmann积分方程重构细胞界面上与宏观变量、应力和热流有关的数值通量，从而避免了矩量法中复杂的偏微分方程和繁琐的边界条件处理.同时，给出了数值通量的显式表达式，使求解器从分子速度空间的离散和数值求和中解放出来。为了评估本框架中的13个时刻的梯度分布函数，G13-MGKS与离散和显式形式的数值通量进行了检查，通过几个测试用例，涵盖定常和非定常稀薄流。数值结果表明，G13-MGKS能较准确地模拟连续流场，对中等Knudsen数的稀薄流场也能给出合理的预测。此外，计算和内存成本的测试表明，该框架可以保持高效的特性。
2022-07-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A pressure-based coupled general synthetic iterative scheme for rarefied gas flow simulation
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
提出基于压力的耦合GSIS格式，通过耦合求解压力-速度系统并保持边界一致性，在连续至过渡流区域高效模拟稀薄气体，显著加速低速内部流及核聚变偏滤器流动。
2026-10-07 physics.comp-ph
An efficient solution algorithm for force-driven continuum and rarefied flows
本研究基于 Boltzmann-BGK 方程提出一种外力驱动多尺度流动求解算法，通过融合 Hermite 谱方法与统一气体动理学多尺度演化模型，在保持精度的同时将计算效率最高提升 50 倍，有效解决了连续流与稀薄流的跨尺度计算难题。
2025-07-14 physics.comp-ph
An efficient treatment of heat-flux boundary conditions in GSIS for rarefied gas flows
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
本文提出一种在GSIS框架内高效处理稀薄气体流热流边界条件的方法，通过改进边界通量计算减少迭代次数，提升模拟效率。
2026-01-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A multi-level parallel solver for rarefied gas flows in porous media
开发了一种使用多层并行化的高性能气体动力学求解器，以实现多孔介质中稀薄流动的孔隙尺度模拟。Boltzmann模型方程用离散速度法迭代求解。多层次MPI/OpenMP并行化的目的是有效地利用计算资源，允许直接模拟稀薄气体在多孔介质中的流动的基础上，数字岩石图像的第一次。详细分析了多级并行方法，证实其性能优于通常使用的MPI处理单独的迭代方案。通过提高通信效率和CPU进程间的负载均衡，在1536核的二维仿真中并行效率达到94%，在12288核的三维仿真中并行效率达到81%.虽然在空间中的分解不影响仿真结果，这种方法的一个额外的好处是，子域的数量可以保持最小，以避免恶化的迭代过程的收敛速度。这种多层并行方法可以很容易地扩展到解决其他玻尔兹曼模型方程。
2017-12-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A BGK model for high temperature rarefied gas flows
高温气体，例如在高超音速再入流中，表现出复杂的现象，如激发旋转和振动能量模式，甚至化学反应。对于连续状态下的流动，模拟代码使用压力和温度的解析或列表本构律。在本文中，我们提出了一个BGK模型，这是符合任何任意的本构关系，这是设计来使高温气体流动的模拟在稀薄的制度。Chapman-Enskog分析给出了相应的输运系数。我们的方法说明了一个可压缩的Navier-Stokes方程求解器与旋转和振动非平衡的数值比较。BGK方法给出了一个确定性的求解器，其计算成本接近于简单的单原子气体。
2020-03-16 physics.class-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
A general synthetic iterative solver for axisymmetric rarefied gas and electrostatic charged-particle flows
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
研究提出AxiGSIS求解器模拟稀薄气体和带电粒子流，采用有限体积离散速度方法与GSIS框架，通过双向耦合加速稳态收敛，经四个基准流验证，能准确捕捉流动物理和粒子响应，减少计算开销。
2026-07-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Parallel simulation of rarefied gas flows on unstructured meshes using the DIG-augmented DSMC method
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
研究针对DSMC在近连续介质区域计算成本高的问题，开发并行DIG增强的DSMC求解器用于非结构化网格三维稀薄气体流动模拟，通过构建耦合框架、采用混合架构和负载平衡策略，减少计算资源需求，提供高效数值工具。
2026-07-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Importance Sampling Variance Reduction for the Fokker-Planck Rarefied Gas Particle Method
由于在微米和纳米尺度上制造设备的能力不断提高，因此对能够准确有效地预测低速稀薄气体流动的模型和方法的需求很高。一种这样的模型和方法是玻尔兹曼方程的福克-普朗克近似，其可以通过随机粒子方法数值求解。这种方法的随机性质导致当信号与气体的热速度相比很小时，希望采样的热力学量的噪声估计。最近，Gorji等人提出了一种方法，它是能够大大减少方差的估计，通过创建一个相关的随机过程，作为控制变量的噪声估计。然而，当问题的几何形状复杂时，存在潜在的困难，因为该方法需要独立求解密度。重要性抽样是一种方差减少技术，已被证明可以成功地减少直接模拟蒙特卡罗计算中的噪声。本文提出了一种适用于Fokker-Planck随机粒子方案的重要抽样方法。该方法只需对原始算法进行最小的更改，并显着降低了估计的方差。我们在均匀松弛、平面Couette流和盖驱动空腔流上测试了重要抽样方案，发现我们的方法能够大大降低估计量的噪声。值得注意的是，我们发现，作为流的特征速度降低，噪声估计的方差变得独立的特征速度。
2015-09-03 physics.comp-ph
General synthetic iterative scheme for unsteady rarefied gas flows
在稀薄气体流中，空间网格尺寸可以在单个流配置中变化几个数量级（例如，在努森层内部，它处于气体分子的平均自由程的量级，而在体区域中，它处于大得多的流体动力学尺度）。因此，对于含时问题，迫切需要高效的隐式数值方法。然而，气体动力学方程的积分-微分性质构成了一个巨大的挑战，因为碰撞算子的增益部分是不可逆的。因此，在每个时间步长中需要迭代求解器，这通常需要在Knudsen数较小的（近）连续流状态中进行大量迭代;更糟糕的是，当空间单元尺寸不够精细时，该解决方案不会渐近地保持流体动力学极限。受Boltzmann方程定常解的一般合成迭代格式的启发，我们提出了两种数值格式，将稀薄气体非定常流动的多尺度模拟推向了一个新的边界，即数值解不仅在每个时间步内收敛于几十次迭代之内，而且在粗空间网格下渐近保持Navier-Stokes-Fourier极限，即使当时间步长较大时（例如，在二维泰勒涡的极慢衰减中，时间步长为涡衰减时间的数量级）。所提出的格式的快速收敛性和渐近保持性不仅得到了严格的傅里叶稳定性分析的证明，而且还证明了坚实的数值例子。
2021-04-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A velocity-space adaptive unified gas kinetic scheme for continuum and rarefied flows
本文发展了一个统一的多尺度流动输运气体动力学自适应速度空间格式（AUGKS）。在近平衡流区，颗粒分布函数接近Chapman-Enskog展开，可以用连续的速度空间来表示，其中仅更新宏观保守变量。随着非平衡效应的出现，AUGKS自动切换到离散的速度空间，以跟踪粒子分布函数的演化。基于Chapman-Enskog展开式，本文提出了一个量化非平衡效应强度的判据，并用于速度空间的连续-离散变换。在尺度相关的局部演化解之后，AUGKS直接在单元尺寸和时间步长尺度上给出离散气体动力学方程，即，即所谓的直接建模法。因此，该方案是能够捕捉跨尺度流动物理从粒子输运到流体动力学波的传播，并提供了一个连续的变化的解决方案，从玻尔兹曼的Navier-Stokes。在统一的框架下，与传统的DSMC-NS混合方法不同，AUGKS不需要缓冲区来匹配动力学和流体力学解。该方法将连续和离散的粒子速度空间自然地连接起来，适用于非定常或复杂几何条件下的数值模拟。与在速度空间离散的整个流场上统一求解动力学方程的渐近保持（AP）方法相比，速度空间自适应统一格式在保持相当精度的前提下，提高了计算速度，减少了多尺度流动问题的内存需求. AUGKS为非平衡流动模拟提供了一个有效的工具。
2018-02-14 physics.comp-ph
Investigation of shock-shock interaction in hypersonic rarefied flow using direct simulation Monte Carlo method
本文利用DSMC方法模拟马赫数10下楔-圆柱构型的高超声速稀薄流，系统研究了克努森数从0.006688到0.6688范围内激波-激波相互作用的流场演化及其对表面气动/气动热载荷分布的影响。
2024-10-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Learning of viscosity functions in rarefied gas flows with physics-informed neural networks
本文采用 PINNs 基于广义 Stokes 模型反演狭缝稀薄气体流动的有效黏度函数与速度场，系统比较网络设计，证明无限可微激活函数和 AdamW 在 Kn=0.1–10 范围内具有高精度与稳健性。
2023-05-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Adjoint shape optimization of oscillatory rarefied gas flows
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
本文针对振动微机电系统多尺度气体流动减阻问题，提出快速收敛且渐近保形的伴随形状优化方法，经数值模拟验证其具备优异减阻性能，可高效用于相关系统设计。
2026-08-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
General synthetic iterative scheme for rarefied gas mixture flows
本文提出通用合成迭代格式（GSIS）求解质量与浓度差异悬殊的稀薄气体混合流动，通过介观动力学方程与宏观合成方程交替求解，实现快速收敛并放宽网格限制，在多个挑战性算例中验证了其高效性与准确性。
2024-05-02 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Mitigating ray effects in rarefied flow simulations using an ensemble-of-subproblems strategy with stochastic discrete velocities
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）；National Key Laboratory of Aerospace Physics in Fluids（航空航天流体物理全国重点实验室）
本研究将结合随机离散速度的子问题集成策略整合至DUGKS框架，提出SDV-DUGKS方法，可在不降低精度的前提下大幅减少稀薄流动模拟的内存使用，有效缓解射线效应。
2026-08-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Frequency-domain general synthetic iterative scheme for efficient simulation of oscillatory rarefied gas flows
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
本文提出频域通用合成迭代方案用于高效模拟振荡稀薄气体流，通过同时求解动能方程和合成方程，实现超收敛和渐近保持性质，提升计算效率。
2026-01-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Surrogate-assisted airfoil optimization in rarefied gas flows
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）
该研究提出了一种基于替代模型的机翼优化方法，用于稀薄气体流中的机翼设计，通过贝叶斯优化框架在不同稀薄度条件下优化机翼阻力，发现优化在弱稀薄度区域效果显著，减少压力阻力，同时保持粘性阻力不变。
2025-12-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Burnett Spectral Method for High-Speed Rarefied Gas Flows
介绍了一种利用Burnett谱方法求解空间非齐次Boltzmann方程的数值方法。碰撞算子的建模和离散化是在前人工作[Z.蔡，Y. Fan和Y. Wang，Burnett spectral method for the spatially homogeneous Boltzmann equation，arXiv：1810.07804]，它是高阶矩的BGK算子和低阶矩的二次碰撞算子的杂交。为了保证平衡态的保持，我们在离散碰撞算子中引入了一个附加项，当自由度趋于无穷大时，该项等于零。与前人的工作[Z. Hu，Z. Cai和Y. Wang，Numerical Simulation of Microflow using Hermite spectral methods，arXiv：1807.06236]，计算量降低了一个数量级。通过激波结构计算和Fourier流场计算等数值实验验证了本文方法的有效性和准确性。
2019-10-18 math.SP physics.comp-ph physics.flu-dyn
A general synthetic iterative scheme with high-order spatial discretization for rarefied gas mixture flows
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）
本文提出一种高阶间断伽辽金离散的通用合成迭代格式（GSIS-DG），用于稀薄气体混合流动模拟，实现高阶空间精度与快速稳态收敛，并在近连续区大幅降低计算成本。
2026-10-06 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Lattice Boltzmann approach to rarefied gas flows using half-range Gauss-Hermite quadratures: Comparison to DSMC results based on ab initio potentials
在本文中，我们采用格子玻尔兹曼方法来解决玻尔兹曼方程与Shakhov模型的碰撞积分的背景下的三维平面Couette流。半程高斯-厄米求积用于解释分布函数中壁诱导的不连续性。晶格玻尔兹曼模拟结果进行了比较，${}^3{\rm He}$和${}^4{\rm He}$原子通过从头算势相互作用的直接模拟蒙特卡罗（DSMC）结果，在不同的值的稀疏参数$δ$，其中板的温度从$1\ {\rm K}$变化到$3000\ {\rm K}$。良好的协议之间观察到的结果使用Shakhov模型和DSMC数据在大值的稀疏参数。该协议恶化的稀疏参数减少，但我们强调，在剪切应力的非对角分量的相对误差不超过$2.5\%$。
2019-03-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Physics-informed neural networks for solving forward and inverse flow problems via the Boltzmann-BGK formulation
在这项研究中，我们采用物理信息神经网络（PINNs）通过Boltzmann-BGK公式（PINN-BGK）来解决正问题和逆问题，使PINNs能够模拟连续和稀薄区域的流动。具体地，PINN-BGK由三个子网络组成，即，第一个用于近似平衡分布函数，第二个用于近似非平衡分布函数，第三个用于编码Boltzmann-BGK方程以及相应的边界/初始条件。通过最小化控制方程的残差以及预测和提供的边界/初始条件之间的不匹配，我们可以近似连续和稀薄流的Boltzmann-BGK方程。对于前向问题，PINN-BGK用于求解给定边界/初始条件的各种基准流，例如，Kovasznay流动，泰勒-格林流动，空腔流动，和微库埃特流动的克努森数高达5。对于反问题，我们专注于稀薄流动，准确的边界条件是很难获得。我们采用PINN-BGK来推断在整个计算域中的流场，给出了有限数量的内部散射测量的速度与未知的边界条件。对努森数为0.1 ~ 10的二维微Couette流和微空腔流的计算结果表明，PINN-BGK方法可以很好地反演整个区域的速度场。最后，我们还介绍了使用迁移学习来加速训练过程的一些结果。具体来说，与标准训练过程相比，我们可以获得三倍的加速（例如，Adam加L-BFGS-B）的二元流动问题。
2020-10-19 physics.comp-ph
Accelerating Kinetic Fokker-Planck Simulations via a GPU-Native Deep Neural Network Surrogate: Application to Rarefied Internal and Hypersonic External Flows
University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）
针对基于粒子的Fokker-Planck模型中的三次方FP闭合计算，开发并验证了GPU原生的神经代理，通过批量CuPy操作直接评估训练权重，避免CPU-GPU传输，在Couette、2D顶盖驱动腔和高超声速圆柱案例中验证了加速效果和熵保真度。
2026-06-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Efficient solutions of eigenvalue problems in rarefied gas flows
针对玻尔兹曼动理学方程特征值问题计算复杂度高的难题，提出结合移位反幂法与合成迭代格式的双层迭代求解方法，在典型流动中实现高效高精度求解，且近连续流区网格可远大于分子平均自由程。
2025-08-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Physics-Informed Neural Networks for microflows: Rarefied Gas Dynamics in Cylinder Arrays
本研究利用物理信息神经网络（PINN）以少量DSMC数据训练，预测圆柱阵列中的稀薄气体微流动，误差低于2%，训练时间远少于传统方法，并保持物理一致性。
2025-01-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Solving continuum and rarefied flows using differentiable programming
Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院力学研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
本文提出基于可微编程的多尺度流解决方案，通过端到端优化实现计算流体力学与机器学习的统一。
2026-02-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Kinetic multiscale scheme based on the discrete-velocity and lattice-Boltzmann methods
提出了一种新的基于离散速度近似（DV）和格子玻尔兹曼（LB）技术的混合计算方法。在稀薄流区采用动力学方程的数值格式，在连续流区采用LB格式。该计划下编写的有限体积（FV）制定实现局部网格细化的灵活性。截断Hermite多项式展开用于DV和LB解的匹配。特别注意保持守恒性质的耦合算法。稀薄气体库埃特流的测试结果与基准解非常一致，这主要归功于努森层中的网格细化（在物理和速度空间中）。
2019-10-11 physics.comp-ph
On the drag and lift coefficients of ellipsoidal particles under rarefied flow conditions
模拟稀薄气体与任意形状胶体粒子之间的双向耦合相互作用的能力对于许多实际应用是重要的，例如航空航天工程、肺部药物输送和半导体制造。通过基于直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法的数值模拟，研究了长椭球体和扁椭球体颗粒浸没在均匀环境流中时，颗粒取向和稀疏度对阻力系数和升力系数的影响。这是通过使用嵌入在我们的DSMC求解器中的切割单元算法对固体颗粒进行建模来完成的。在这种方法中，颗粒的表面由其解析表达式描述，并使用射线追踪技术精确计算微观气固相互作用。测量的阻力和升力系数被用来扩展的相关性，在连续制度的稀薄制度，专注于过渡和自由分子制度。椭球粒子的相关性的函数形式被选择作为从球形情况下的概括。我们表明，从数值模拟的数据拟合可以扩展到制度以外的模拟范围的$Kn$通过测试所获得的预测模型的值$Kn$，其中不包括在拟合过程中，允许实现更高的精度时，与现有的预测模型从文献中。最后，我们强调这项工作的重要性，在提供新的非球形粒子，可用于点粒子欧拉-拉格朗日模拟，以解决高科技机械系统中的有限尺寸粒子的污染问题的相关性。
2021-08-04 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.flu-dyn
Efficient parallel solver for rarefied gas flow using GSIS
针对GSIS仅在小规模二维问题中验证过效率的局限，设计大规模并行计算策略将其拓展至三维流动，通过优化空间速度划分与核心分配，实现最高千亿网格规模的高效计算，可1小时内完成典型高超声速绕流的收敛求解。
2024-04-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
General synthetic iteration scheme for non-linear gas kinetic simulation of multi-scale rarefied gas flows
将一般合成迭代法（GSIS）推广到求解非线性气体动力学方程的定常解，解决了近连续流中存在的收敛速度慢和对超细网格的要求等问题。气体动力学方程和宏观综合方程是紧密耦合的，宏观综合方程中的本构关系明确包含牛顿剪应力定律和傅立叶导热定律，这是GSIS的关键组成部分。描述稀疏效应的高阶本构关系是从速度分布函数计算的，然而，它们的构造比我们以前的工作（Su et al.Journal of计算物理407（2020）109245）对于线性化气体动力学方程更简单。另一方面，宏观综合方程的解被用来通知气体动力学方程在下一个迭代步骤中的演化。对周期系统的线性Fourier稳定性分析表明，GSIS的误差衰减率小于0.5，即在10次迭代中，与稳态解的偏差可减小3个数量级。GSIS的其他重要优点是（i）它不依赖于玻尔兹曼碰撞算子的特定形式，以及（ii）它可以通过计算流体动力学中的复杂技术来求解，使得它适合于大规模工程应用。在本文中，GSIS的效率和准确性证明了在稀薄气体动力学的一些典型的测试案例。
2020-05-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Online Optimisation of Machine Learning Collision Models to Accelerate Direct Molecular Simulation of Rarefied Gas Flows
本文提出在线优化神经网络碰撞模型以替代经典轨迹计算，在保持与分子动力学和 CTC-DMS 相当精度的同时将一维正激波模拟计算成本降低约 5 至 15 倍，并进一步将在线优化方法用于 DSMC 碰撞模型校准，实现约 20 倍加速。
2024-11-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Modeling and computation for non-equilibrium gas dynamics: beyond kinetic relaxation model
非平衡气体动力学由玻尔兹曼方程描述，可以通过确定性和随机方法进行数值求解。由于玻尔兹曼方程中复杂的碰撞项，在过去的七十年里，人们提出了许多动力学弛豫模型来研究稀薄流。为了发展稀薄连续流模拟的多尺度方法，采用动力学模型方程的积分解，构造了DVM型统一气体动力学格式（UGKS）。UGKS模型的气体动力学的细胞大小和时间步长的规模，同时从粒子的传输和碰撞的累积效应已被考虑在一个时间步长。在UGKS框架下，进一步发展了一种用于非平衡流动模拟的统一气体动力学波粒（UGKWP）方法，其中气体分布函数的时间演化由解析波和单个粒子组成。在高度稀薄的区域，粒子输运和碰撞将起主导作用。由于粒子碰撞的单一弛豫时间模型，UGKWP解与Boltzmann或DSMC的结果之间存在明显的差异，特别是在高马赫数和Knudsen数的情况下。在本文中，除了动力学弛豫模型，根据粒子速度的粒子碰撞时间的修正将在UGKWP中实现。结果表明，新模型极大地改善了UGKWP在捕捉非平衡流方面的性能。在高稀薄区，UGKWP与DSMC或Boltzmann解之间存在完美匹配。在近连续和连续流区，在小单元努森数下，UGKWP将逐渐回归到基于宏观变量的Navier-Stokes流场求解器。
2020-10-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A three-dimensional unified gas-kinetic wave-particle solver for flow computation in all regimes
本文在三维非结构网格上建立了统一气体动力学波粒方法（UGKWP），并进行了多尺度流动模拟的并行计算。UGKWP方法遵循统一气体动力学格式（UGKS）的直接模拟方法，统一模拟不同区域的流动动力学，不需要动力学尺度单元的分辨率，直接得到局部单元的Knudsen数相关的数值解。UGKWP方法由确定性波和随机粒子的演化组成。通过动态波粒分解，UGKWP方法能够在统一的框架下捕捉连续波的相互作用和稀薄粒子的输运，并在不同的流态下实现高效率。通过不同马赫数和努森数的三维激波管问题、盖驱动空腔流动、高速绕流立方体物体和高超声速绕流飞行器等三维算例验证了UGKWP流场求解器的有效性。在天河二号超级计算机上进行了并行性能测试，并在千核处理下观察到了合理的并行性能。由于UGKWP方法采用了波粒方程，因此在求解连续流和稀薄流共存的三维多尺度输运问题，特别是在临近空间飞行的航天器周围高速稀薄流和连续流的问题上具有很大的潜力。
2020-07-26 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Numerical simulation of moving rigid body in rarefied gases
University of Kaiserslautern（凯泽斯劳滕大学）；Fraunhofer ITWM（弗劳恩霍夫工业数学研究所）；TU Darmstadt（达姆施塔特工业大学）
本文提出一种数值方案，模拟任意形状刚体在稀薄气体中的运动，通过求解Boltzmann方程的DSMC粒子方法模拟气体，结合牛顿-欧拉方程计算刚体的力和力矩，验证了布朗运动的爱因斯坦关系。
2014-06-19 cond-mat.soft cs.NA math.NA
Lagrangian diffusive reactor for detailed thermochemical computations of plasma flows
等离子体流中原子和分子能级布居的热化学非平衡模拟需要对所涉及的所有基本碰撞和辐射过程进行全面的建模。将详细的化学机制与流动求解器耦合在一起是计算昂贵的，并且通常将其应用限制在1D模拟中。我们开发了一个有效的拉格朗日扩散反应器移动沿流线的基线流模拟计算详细的热化学效应。除了它的效率，该方法允许我们模拟连续和稀薄流，同时包括质量和能量扩散。拉格朗日解算器进行了评估，包括强大的正激波，以及二维轴对称钝体高超声速稀薄流的几个测试用例。在所有的测试案例中，拉格朗日反应堆大大提高了基线模拟。拉格朗日重新计算的计算成本通常是数量级较小的一个完整的解决方案的问题。该求解器还具有不受统计噪声影响的额外好处，统计噪声会强烈影响DSMC模拟的准确性，特别是考虑到混合物中的次要物质。结果表明，该方法能够应用详细的机制，多维求解器研究热化学非平衡流。
2018-12-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Unified Gas-kinetic Wave-Particle Methods II: Multiscale Simulation on Unstructured Mesh
本文提出了一种基于非结构网格的统一气体动力学波粒（UGKWP）方法，用于连续流和稀薄流的多尺度数值模拟。继承了统一气体动力学格式（UGKS）中的多风输运，在构造UGKWP方法时，采用了动力学模型方程的积分解，在网格尺度和时间尺度上模拟流动物理。在UGKWP方法中引入了一种新的波粒自适应公式来描述每个控制体中的流动动力学。局部气体演化是通过确定性流体动力学波和随机动力学粒子的动力学相互作用来构造的。在网格尺寸和时间步长的分辨率范围内，流体动力学波和动力学粒子的分解、相互作用和演化取决于时间步长与局部粒子碰撞时间的比值。在稀薄流区，流动物理主要由离散粒子恢复，UGKWP方法表现为随机粒子方法。在连续流状态下，流动行为仅遵循宏观变量演化，并且UGKWP方法成为粘性和导热Navier-Stokes解的气体动力学流体动力学流动求解器。在不同的流态下，通过数值算例验证了非结构网格上UGKWP方法的有效性。UGKWP方法不需要时间步长和网格尺寸小于粒子碰撞时间和平均自由程，就能在所有Knudsen区域得到相同的UGKS解，并具有自动波粒分解功能，因此UGKWP方法非常有效。例如，在马赫数30和Knudsen数0.1的情况下，与UGKS相比，UGKWP在计算量和存储量方面都减少了几个数量级。
2019-03-28 physics.comp-ph
A Unified Gas-kinetic Scheme for Continuum and Rarefied Flows VI: Dilute Disperse Gas-Particle Multiphase System
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Northwestern Polytechnical University（西北工业大学）
本文提出了一种适用于多相稀疏气-粒系统的统一气体动力学方案（UGKS-M），该方案通过调整Knudsen数和Stokes数，能够捕捉从无碰撞多物种传输到两流体纳维-斯托克斯（NS）解的流动物理，并适用于从颗粒流到尘埃气体动力学的流动 regime。
2018-09-11 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Implicit Discontinuous Galerkin Method for the Boltzmann Equation
发展了一种求解全碰撞Boltzmann方程描述的稀薄气体流动稳态解的隐式高阶间断Galerkin（DG）方法。在物理空间中，速度分布函数用4次多项式分段逼近，而在速度空间中，快速谱方法被引入到DG中以计算碰撞算子.提出了一种特殊的碰撞算子多项式逼近方法，将快速谱方法的计算复杂度降低了$K$倍，其中对于二维问题，当在三角网格上使用四阶多项式DG时，$K$ $K$为15.在一阶迎风格式的基础上，采用扫描技术在空间单元上依次求解离散后的局部线性方程组。该方法在求解高超声速稀薄气体流动时，当流动完全解出时，可以保持格式的稳定性，且不需要非线性限制器。此外，无需组装大型稀疏线性系统，就内存和CPU时间而言的计算成本可以显着降低。五个不同的一/二维实验，包括低速微尺度流动和高超声速稀薄气体流动来验证所提出的方法。结果表明，不同阶次的DG格式在获得相同精度阶次的稳态解时所需的迭代步数相同，且阶次越高，所需的空间单元数越少，从而所需的CPU时间越少.此外，我们的方法可以比有限差分求解器快约一个数量级。所产生的解决方案可以用作基准数据，用于评估玻尔兹曼方程和简化玻尔兹曼碰撞算子的气体动力学模型的其他气体动力学求解器的准确性。
2019-01-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Exponential BGK Integrator for Multi-Scale Particle-Based Kinetic Simulations
尽管开发了一个广泛的工具箱的多尺度稀薄流模拟器，这样的模拟仍然具有挑战性，由于碰撞和宏观时空尺度的显着差异。我们的研究提供了一个新的和一致的数值方案的耦合处理的粒子平流和碰撞所管辖的BGK的演变，尊重积极的速度分布。我们的方法共享其框架，在精神上，与统一的气体动力学类的多尺度计划。然而，它提供了有吸引力的功能，基于粒子的随机模拟，易于实现现有的直接模拟蒙特卡罗代码。我们证明了原型气体流量的设计方案的准确性和性能，在很宽的范围内的稀疏参数。由于所设计的指数BGK积分器的鲁棒性和灵活性，该计划铺平了道路，更负担得起的模拟大型和多尺度稀薄气体现象。
2022-02-14 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Adaptive Kinetic-Fluid Models for Expanding Plasmas
描述了不同条件下瞬态等离子体射流的气体动力学和等离子体效应。我们的统一流动求解器（UFS）的混合连续稀薄流，瞬态气体膨胀动力学和碰撞等离子体膨胀的模拟进行评估。我们确定了进一步的进展，所需的混合流体动力学模拟激光烧蚀和EEE诱导等离子体射流。
2018-01-15 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Unified Gas-kinetic Wave-Particle Method IV: Multi-species Gas Mixture and Plasma Transport
本文将统一气体动力学波粒（UGKWP）方法推广到多组分气体混合和多尺度等离子体输运问题。该格式的构造基于网格尺寸和时间步长的直接建模，局部单元的努森数决定了流动物理性质。该方案具有多尺度和渐近复杂度递减特性。多尺度特性意味着根据单元的Knudsen数，该方案可以捕获稀薄流区的非平衡流动物理，并保持连续流区的渐近Euler，Navier-Stokes和磁流体力学极限。渐近复杂性递减性质意味着格式的总自由度随着单元格Knudsen数的减小而自动减小。在连续体区域，该方案自动从动力学求解器退化为流体动力学求解器。在UGKWP中，微观速度分布的演化与宏观变量的演化相耦合，颗粒演化以及宏观通量从时间累积解到时间步长尺度从动力学模型方程来模拟。对于等离子体输运，电流方案提供了一个平滑的过渡，从粒子在细胞（PIC）的方法在稀薄的制度，磁流体动力学（MHD）求解器在连续制度。在连续极限下，UGKWP方法的网格尺寸和时间步长不限于小于平均自由程和平均碰撞时间。在强磁化区，晶胞尺寸和时间步长不受德拜长度和等离子体回旋周期的限制。在多个流态下的数值试验验证了该格式的多尺度性和渐近复杂性减小性。
2020-09-18 physics.comp-ph
Analysis of Moment Closures Using $φ$-Divergences for Rarefied Dynamics with Binary Collisions and Their Galerkin Discretizations
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Simkinetic B.V.（Simkinetic公司）；University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Saarland University（萨尔兰大学）
该研究提出基于φ-散度的Galerkin矩封闭框架，构造兼容近似碰撞算子保证物理性质，结合熵稳定DG方法离散，通过多类数值模拟验证其用于稀薄动力学模拟的鲁棒性与准确性。
2026-09-04 cs.NA math.AP math.NA
Modelling and Simulation of Heterogeneous Reactions with Statistical Particle Methods
估计再入飞行器的热负荷是准备重返大气层机动的一个关键部分。高空再入流处于稀薄状态，并受高湍流度和热力学非平衡控制。此外，催化气体表面反应改变了气体流的组成，并可能对传热产生重大影响。我们的目标是估计热负荷没有先验拟合的模拟参数的实验。我们使用的工具PICLas模拟这样的稀薄气体流动。它结合了不同的粒子方法，包括直接模拟蒙特卡罗方法，用于气体建模。最近，它已扩展到包括不同的催化模型来处理表面上的反应。我们评估的动力学蒙特卡罗方法来模拟催化气体表面相互作用结合使用粒子方法的流动模拟。在这里，吸附质分布是通过使用动力学蒙特卡罗方法再现表面系统和使用模型假设估计必要的参数来建模的。这种催化模型相比，一个简单的重组模型。我们提出了模拟，显示的能力的实施模型的$\mathrm{SiO_2}$表面的氧气流。此外，模拟结果进行了比较，从各自的实验获得的热通量和复合系数。结果表明，使用动力学蒙特卡罗方法的模拟匹配的实验获得的值。因此，该方法可用于估计氧气流过$\mathrm{SiO_2}$表面的反应性。
2020-07-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Validation of wall boundary conditions for simulating complex fluid flows via the Boltzmann equation: Momentum transport and skin friction
本研究验证了玻尔兹曼方程壁面边界条件在多种流态下的有效性，发现高空间分辨率对预测流动不稳定性和动量输运至关重要，并首次直接求解玻尔兹曼方程计算了壁面湍流。
2023-12-31 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Fast kinetic simulator for relativistic matter
我们提出了一个新的家庭的相对论晶格动力学计划的有效模拟强相互作用（流体）和弱相互作用（稀薄气体）制度的相对论流动。该方法也可以处理无质量和有质量的粒子，从而涵盖了极端相对论和温和相对论的制度一样。详细讨论了该方法在模拟上述区域的相对论性流场时的计算性能，并展望了该方法在夸克-胶子等离子体、石墨烯电子流和天体物理系统中的应用前景。
2022-08-06 hep-lat physics.comp-ph
Load balancing strategies for the DSMC simulation of hypersonic flows using HPC
在验证PICLas（一种用于模拟稀薄非平衡等离子体流动的动力学粒子程序包）的背景下，采用直接模拟蒙特卡罗方法模拟了高超声速氮绕钝锥的偏置流动。该装置的特点是一个复杂的流动与强大的局部梯度和热不平衡，导致高度不均匀的计算负荷。特别是，负载分布是感兴趣的，因为它允许有效地利用所利用的计算资源。不同的负载分配算法进行了研究，并在一个强大的缩放比较。PICLas的并行性能的调查是伴随着模拟结果的速度大小，平移温度和热通量，这是比较实验测量。
2018-11-12 physics.comp-ph physics.space-ph
Unified gas-kinetic wave-particle methods V: diatomic molecular flow
本文进一步发展了统一气体动力学波粒（UGKWP）方法，将其应用于双原子气体中，并考虑了平动和转动模式之间的能量交换，以研究各种区域的流动。UGKWP中的多尺度输运机制来自离散空间中的直接模拟，其中单元的Knudsen数由粒子平均自由程与数值单元尺寸的比值定义，决定了波粒子公式模拟的流动物理。用离散粒子和解析波跟踪UGKWP中的非平衡分布函数。通过粒子输运和碰撞在时间步长内的累积演化解来控制不同区域中分布的粒子和波的权重，其中粒子和波的可区分的宏观流动变量在每个控制体积内被更新。随着局部格点Knudsen数的变化，UGKWP在高稀薄流场中成为粒子方法，在无粒子连续流场中收敛到气体动力学格式（GKS）。即使是与基于离散速度法（DVM）的统一气体动力学格式（UGKS）相同的解，对于高速和高温流动的模拟，UGKWP的计算成本和内存需求也可以降低几个数量级，其中平移和旋转非平衡在过渡和稀薄区域变得重要。因此，使用个人计算机就可以进行飞行器在所有状态下的三维高超音速计算。将在从一维激波结构到三维球体绕流的各种情况下验证双原子气体的UGKWP方法，并将数值解与参考DSMC结果和实验测量进行比较。
2020-10-15 cs.NA math.NA physics.comp-ph
