A Hybrid Gas-Kinetic Scheme and Discrete Velocity Method for Continuum and Rarefied Flows
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Shanghai Suochen Information Technology Co., Ltd（上海速策信息技术有限公司）
本文提出混合GKS-DVM方法，结合两种方法优势，平衡平衡分布函数与非平衡分布函数，实现连续和稀薄流的高精度与高效计算。
2026-05-07 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
DSMC-LBM mapping scheme for rarefied and non-rarefied gas flows
我们提出了直接模拟蒙特卡罗（DSMC）和格子玻尔兹曼方法（LBM）之间的动力学映射方案的制定，该方案是用于耦合这两种方法的混合模型的基础，以有效和准确地模拟以可变稀疏效应为特征的等温流动。由于LBM的动力学性质，我们建议的程序，确保准确地耦合DSMC和LBM在一个更大的Kn数比通常在传统的混合DSMC-纳维-斯托克斯方程模型。我们展示了映射算法的主要步骤，并说明了实现的细节。良好的协议之间的单粒子分布函数的时刻，从映射方案，并从独立的LBM或DSMC模拟在网格节点的耦合施加。我们还展示了基于一个更简单的映射计划的混合计划在有限的Kn数的平面Poietille流的应用结果。在计算效率的耦合方案的应用保证潜在的收益估计为相同的流量。
2015-12-25 physics.flu-dyn
Propagation of nonlinear waves in a rarefied bubbly flow
本文考虑了描述稀薄泡状流体中非线性浓度波传播的一维Russo-Smereka动力学方程。减少有限分量系统的模型推导。根据动力学方程的双曲性，研究了泡状流的稳定性。给出了该模型的守恒形式，并给出了初值不连续的Cauchy问题的数值解。
2014-01-29 nlin.SI physics.flu-dyn
Investigation of nonlinear squeeze-film damping involving rarefied gas effect in micro-electro-mechanical-systems
本文研究了微电子机械系统（MEMS）中含有稀薄气体效应的非线性挤压膜阻尼（SFD）。考虑到微机电系统中结构（梁、悬臂梁、薄膜）的运动，挤压膜阻尼对结构的动态响应有很大的影响。在传统的模型中，采用了粘性阻尼假设，即阻尼力与运动速度成线性关系。由于微结构在高速振动过程中存在非线性阻尼现象，这种假设是不成立的，会给微结构的响应预测带来误差。另外，由于器件的体积小，封装压力低，MEMS中的气体通常是稀薄气体。因此，为了正确地预测阻尼力，必须考虑稀薄气体效应。为了研究稀薄气体效应下的非线性SFD现象，引入了一种动力学方法，即离散统一气体动力学格式（DUGKS）。基于DUGKS，采用传统的解耦方法（欧拉格式）和耦合框架（任意拉格朗日-欧拉格式）两种求解方法。利用这两种方法，研究了刚性微梁的两种基本运动形式：直线（垂直）运动和倾斜运动，包括强迫振动和自由振动。
2022-03-14 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
Comparative study of the discrete velocity and lattice Boltzmann methods for rarefied gas flows through irregular channels
格子玻尔兹曼方法起源于气体动力学，是流体力学模拟的有力工具。在过去的十年中，它已被扩展到模拟稀薄气体流动超过Navier-Stokes水平，通过使用高阶Gauss-Hermite积分，或通过引入弛豫时间，这是一个函数的气壁距离。前一种方法，有限数量的离散速度（即D2 Q36），是准确的早期过渡流状态，后一种方法，具有相同的离散速度，用于模拟流体力学（即D2 Q9），是准确的两个平行板之间的Poietille流中的自由分子流状态。这是相当令人惊讶的，因为更多的离散速度是不太准确的。本文通过离散速度法精确求解Bhatnagar-Gross-Krook动力学方程，发现格子玻尔兹曼方法在模拟稀薄气体通过粗糙表面和多孔介质的流动时，精度明显降低。我们的模拟结果可以作为未来发展的格子玻尔兹曼方法的建模和模拟在复杂的几何形状的稀薄气体流动的基准案例。
2017-04-11 physics.flu-dyn
Transport fidelity and domain of validity of compact Gaussian kinetic representations for rarefied flows
University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）
该研究针对稀疏流动，提出局域高斯动力学表示方法，在激波和空腔基准测试中实现高精度，优于基线方法，为稀疏流动参数化应用提供定量准则。
2026-09-07 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
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
A generalized slip-flow theory for a slightly rarefied gas flow induced by discontinuous wall temperature
当我们研究稀薄气体的运动时，从玻尔兹曼方程组导出的流体动力学方程组及其边界条件在动力学理论中是非常重要的。它提供了一个有效的替代直接求解玻尔兹曼方程，更重要的是，提供了一个清晰的画面，在近连续制度的流动结构。然而，现有的滑流理论的适用性仅限于边界形状和动力学边界条件都是边界坐标的光滑函数的情况，这排除了例如动力学边界条件具有跳跃不连续性的情况。本文讨论了壁面温度不连续引起的稀薄气体在一个简单的两表面问题中的运动，并举例说明了现有的理论是如何推广的。该讨论基于我们最近的论文[Taguchi and Tsuji，J. Fluid Mech. 897，A16（2020）]，该论文得到了新引入的动力学边界层（Knudsen区）的一些初步数值结果的支持，并从中推导出了流速的源汇条件。
2020-12-18 cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Higher-order Continuum Approximation for Rarefied Gases
平均飞行时间的动力学方程的Hilbert-Chapman-Enskog展开式被认为是渐近的而不是收敛的。因此，它是不可取的，使用较低的顺序结果来简化目前的近似是在传统的Chapman-Enskog程序中所做的，因为这是一个迭代方法。通过避免这种循环的低阶结果，得到的宏观方程是渐近等价的Chapman-Enskog方法中发现的。新方程包含在Chapman-Enskog方法中被丢弃的高阶项。这些对超声传播等问题的结果产生重大影响。在本文中，它表明，这些结果很好地与相对较小的复杂性时，展开进行到二阶的平均自由时间，为例的松弛或BGK模型的动力学理论。
2003-10-17 physics.flu-dyn
Fluid dynamics at arbitrary Knudsen on a base of Alexeev-Boltzmann equation: sound in a rarefied gas
本文从Alexeev广义Boltzmann动力学方程出发，利用重力场中分层气体的双侧分布函数，导出了流体力学型方程组。它被应用到超声波的传播和衰减的问题。所得到的系统的线性化版本进行了研究，并与Navier-Stokes在任意Knudsen数之一。本文探讨了稀薄气体中运动平面的产生问题，并与实验作了比较。在较宽的努森数范围内，预测的传播速度和衰减因子与实验结果吻合较好。
2006-08-11 physics.flu-dyn
Can we find steady-state solutions to multiscale rarefied gas flows within dozens of iterations?
快速求解玻尔兹曼方程的定态解是稀薄气体动力学研究的核心问题之一。当Knudsen数很大时，即系统是高度稀疏的，传统的迭代方案可以导致收敛在几个迭代。然而，当Knudsen数很小时，即流动落在近连续区，需要数十万次迭代，但“收敛”的解决方案很容易被污染的累积误差和大的数值耗散。近年来，基于气体动力学模型的隐式统一气体动力学格式（UGKS）及其变体在近连续流区的迭代次数显著减少，但仍远高于高稀薄气体流的迭代次数。本文提出了一种求解一般稀薄气体流动稳态解的通用综合迭代格式（GSIS）。由于GSIS不依赖于特定的动力学模型/碰撞算子，它可以自然地扩展到快速找到收敛的解决方案的混合物流，甚至流涉及化学反应。这两个优越的优点也有望通过直接模拟蒙特卡罗方法及其低方差版本来加速近连续流模拟中的缓慢收敛。
2019-06-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A comparative study of discrete velocity methods for rarefied gas flows
在稀薄气体动力学研究中，离散速度法（DVM）被广泛用于求解气体动力学方程。虽然已经开发了各种版本的DVM，其性能，在精度和计算效率方面，还有待深入研究，在整个流态。在这里，传统的三阶时间隐式的Goddom DVM（GDVM）和最近发展的离散统一气体动力学方案（DUGKS）进行了分析，在寻找力驱动Poietille和盖驱动空腔流的稳态解。由于同时处理了分子碰撞和自由流动，DUGKS在所有流态的空间和时间离散中都保持了二阶精度。对于流体动力学流态，DUGKS不仅在使用相同的空间网格时比GDVM更快，而且需要比GDVM更少的空间分辨率来实现相同的数值精度。然而，从滑移到自由分子流状态，DUGKS比GDVM慢，这是由于复杂的通量评估和时间步长小于GDVM的最大有效时间步长。因此，DUGKS是最好的问题，涉及不同的流动制度，特别是当流体动力学流动制度是占主导地位的。对于高稀薄气体流动，如果考虑稳态解，隐式DVM可以显著提高收敛性，是一个更好的选择。
2016-12-20 physics.flu-dyn
Further acceleration of multiscale simulation of rarefied gas flow via a generalized boundary treatment
针对通用合成迭代方案（GSIS）模拟非线性多尺度稀薄气流时迭代次数多的问题，提出广义边界处理（GBT）方法，通过重构边界截断速度分布函数加快收敛，精度经多方法验证，近连续流与滑移流区效率分别提升两到一个数量级。
2023-11-05 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
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
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
Radiometric force on a sphere in a rarefied gas flow based on the Cercignani-Lampis model of gas-surface interaction
基于线性化Boltzmann方程的动力学模型，研究了在处于平衡状态的稀薄气流中球的热极化对球的辐射力。采用Cercignani和Lampis提出的散射核作为边界条件，利用切向动量调节系数和法向能量调节系数来模拟气体与表面的相互作用.球上的辐射力，以及它周围的气体的流场，计算在一个广泛的范围内的气体稀疏，定义为球半径的比率，气体粒子的等效自由程，覆盖自由分子，过渡和连续制度。采用离散速度法对动力学方程进行数值求解。考虑到在实践中遇到的大多数情况下，进行计算的调节系数的值。为了证实计算的可靠性，在0.1%的数值误差内的交叉现象之间的互易关系进行了数值验证。在气体流动流的方向上的球形表面的两个直径上相对的点之间的温度下降，其特征在于热极化效应，进行了比较的球形颗粒的Pyrex玻璃浸没在氦气和氩气的实验数据。
2021-04-13 physics.flu-dyn
Drag and thermophoresis on a sphere in a rarefied gas based on the Cercignani-Lampis model of gas-surface interaction
在求解线性化Boltzmann方程动力学模型的基础上，研究了气体-表面相互作用定律对高热导率球形粒子在单原子稀薄气体中的粘性阻力和热泳经典问题的影响.采用Cercignani和Lampis提出的散射核，通过设置切向动量调节系数（TMAC）和法向能量调节系数（NEAC）来模拟气体与表面的相互作用规律。作用在球体上的粘性阻力和热泳力的计算在很宽的范围内的稀疏参数，这是定义为一个等效的气体粒子的自由路径的球体半径的比率，使自由分子，过渡和连续制度的气体流动被覆盖。
2019-12-02 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
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
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
On the shock wave boundary layer interaction in slightly-rarefied gas
本文从气体动理论推导三温度NSF方程，结合温度跳跃边界条件模拟双锥实验中的激波边界层干扰，证明正确恢复三种热导率后可准确捕捉表面热流位置与峰值及分离泡和再附点。
2023-10-26 physics.flu-dyn
A Lattice Boltzmann Method for Relativistic Rarefied Flows in (2 + 1) Dimensions
我们提出了一个扩展最近开发的相对论格子玻尔兹曼解算器（RLBM），它允许模拟接近自由流动的限制。根据以前的工作[Phys. Rev. C 98（2018）035201]，我们使用积求积规则，并通过分别离散径向和角度分量来选择权重和节点。这个过程有利于发展的正交为基础的RLBM增加各向同性的水平，从而提高了精度的方法模拟超出流体动力学制度的流动。为了量化改进现有的方法，这种离散化过程中，我们进行数值测试的冲击波在一个和两个空间维度在各种动力学制度的流体动力学和自由流动的限制。
2021-02-10 physics.flu-dyn
Multiscale lattice Boltzmann approach to modeling gas flows
对于多尺度气体流动，通常采用动力学-连续介质混合方法来平衡计算精度和效率。然而，动力学连续耦合是不简单的，因为耦合的方法是基于不同的理论框架。特别是，它是不容易恢复的动力学方法所需的非平衡信息，这是丢失的连续介质模型在耦合界面。因此，我们提出了一种多尺度格子玻尔兹曼（LB）方法，该方法在高度稀薄的流动区域部署高阶LB模型，在稀薄程度较低的区域部署低阶LB模型。由于这种多尺度方法是基于相同的理论框架，耦合过程变得简单。非平衡信息不会在界面处丢失，因为低阶LB模型也可以保留此信息。仿真结果表明，该方法能够在保证模型精度的同时降低计算量。
2010-07-28 physics.flu-dyn
Learning Rarefied Gas Dynamics with Physics-Enforced Neural Networks
本研究开发物理强制的神经网络（含DeepONet）代理模型，用于稀薄气体动力学，成功预测激波结构和高超声速圆柱绕流，实现准确、物理一致且高效的计算。
2025-09-07 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
Parametric Gaussian quadratures for Discrete Unified Gas Kinetic Scheme
针对高 Knudsen 数稀薄流模拟计算昂贵的问题，提出参数化高斯求积 PGQ，通过参数化坐标变换与权函数灵活布置求积点，使 DUGKS 相比 Newton-Cotes 提速数十倍。
2024-12-05 physics.flu-dyn
Explicit form of simplified Grad's 13 moments distribution function-based moment gas kinetic solver with unstructured meshes for the multiscale rarefied flow
本文提出显式数值通量的简化版G13-MGKS，采用Shakhov碰撞模型与简化数值通量处理，扩展至非结构网格，在Kn<0.2下实现准确多尺度稀薄流模拟，相比传统方法提速两个数量级，并大幅降低计算与内存开销。
2024-03-24 cs.NA math.NA 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
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
Rarefied gas flow past a liquid droplet: interplay between internal and external flows
本文解析研究缓慢稀薄气体绕球形微纳液滴的流动，耦合液滴内部运动与气体动力学效应，揭示其对阻力、温压分布及整体动力学的影响。
2024-01-26 physics.flu-dyn
An asymptotic-preserving reduced-order method for parametrised rarefied gas flow by proper generalised decomposition
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）
针对高维参数化沙霍夫动力学模型方程，基于适当广义分解提出渐近保持降阶方法，通过制定低秩解分离表示简化问题，纳入综合方程解捕捉渐近性，可一次性计算参数化解，降低计算成本并保证一定精度。
2026-10-12 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Electromagnetic Flow Control in Hypersonic Rarefied Environment
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Shenzhen Research Institute, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学深圳研究院）
本文提出了一种多尺度等离子体求解器，用于研究稀薄环境中电磁流控制，通过数值验证显示其与参考和实验数据一致，揭示了稀薄效应在预测电磁流控制中的重要性。
2025-09-19 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Slow uniform flow of a rarefied gas past an infinitely thin circular disk
Kyoto University（京都大学）
研究稀薄气体流过无限薄圆盘时边缘附近的动能边界层和热极化效应，通过数值方法分析Knudsen数影响下的阻力力特性。
2026-01-23 physics.flu-dyn
Computational Study of Rarefied Gas Flow and Heat Transfer in Lid-driven Cylindrical Cavities
本研究通过DSMC和DUGKS数值模拟，系统研究了圆柱形驱动盖腔体内稀薄气体流动与传热，揭示了膨胀冷却、粘性耗散及逆梯度传热等效应，并比较了不同腔体形状，为MEMS/NEMS设计提供参考。
2023-05-16 physics.flu-dyn
A Particle Multi-Relaxation Bhatnagar-Gross-Krook Method for Rarefied Monatomic Gas Mixtures
Korea Advanced Institute of Science and Technology（韩国科学技术院）
本文提出了一种适用于稀薄单原子气体混合物的粒子多松弛Bhatnagar-Gross-Krook模型，通过扩展单物种UBGK框架，实现了任意物种数的独立物种对松弛，验证了其在NSF级输运行为中的准确性。
2026-10-23 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 rarefied supersonic flows using a fourth-order maximum-entropy moment method with interpolative closure
本文将带插值封闭的四阶最大熵矩方法用于稀薄超声速流动，通过5矩与14矩系统对比动理论结果，并提出14矩波速近似及GPU实现。
2024-01-26 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Evaluation of the Ambipolar Diffusion Approximation in Partially Ionized Rarefied Hypersonic Flows
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
本文通过氩气的高超声速流动动力学模拟，评估双极扩散近似在稀薄高超声速流动中的有效性，提出了等离子体扩散区域识别及该近似应用的新准则。
2026-08-14 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
On the apparent permeability of porous media in rarefied gas flows
多孔介质的表观气体渗透率是预测非常规天然气产量的重要参数，Klinkenberg于1941年首次系统地研究了该参数，并发现其随平均气体压力的倒数（或等效的Knudsen数）而增加。尽管潜在的稀疏效应是众所周知的，但当克努森数增加时，克林肯伯格著名方程中的校正因子减小的原因尚未完全理解。大多数研究将多孔介质理想化为一束直的圆柱形管，然而，根据气体动力学理论，这只会导致修正因子随努森数的增加而增加，这显然与Klinkenberg的实验观察相矛盾。在这里，通过解决Bhatnagar-Gross-Krook方程在简化的（但不是简单的）多孔介质中，我们确定，第一次，两个关键因素，可以解释Klinkenberg的实验结果：曲折的流动路径和非单一的切向动量调节系数的气体-表面相互作用。此外，我们发现，Klinkenberg的结果只能观察时，表观和内在的渗透率之间的比率是$\lesssim30$ ;在大的比率（或克努森数）的校正因子随克努森数增加。我们的数值计算结果也可以作为基准案例，以评估宏观模型和/或数值方案的准确性，在复杂的几何形状在广泛的气体稀薄的稀薄气体流动的建模/模拟。
2017-04-12 physics.flu-dyn
A novel Cercignani-Lampis boundary model for discrete velocity methods in predicting rarefied and multi-scale flows
提出一种具有不同动量和热能调节的Cercignani-Lampis边界模型，集成至DVM和UGKS框架，适用于显隐式格式及多种速度空间，并通过数值测试验证其在稀薄和多尺度流动预测中的有效性。
2025-04-04 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 global adaptive velocity space for general discrete velocity framework in predictions of rarefied and multi-scale flows
本文针对稀薄和多尺度流动预测，提出一种全局自适应速度空间方法并融入一般离散速度框架，通过全局速度网格和基于血缘关系的VDF重建提升并行性、避免插值，并保证守恒性。
2025-04-04 physics.flu-dyn
Boosting the convergence of low-variance DSMC by GSIS
低方差直接模拟蒙特卡罗（LVDSMC）是模拟稀薄气体低速流动的一种有效方法。然而，在近连续流区，由于时间步长和空间单元尺寸的限制，需要大量的时间来找到稳态解。在这里，我们删除这些不足之处耦合LVDSMC与一般的合成迭代方案（GSIS），允许在流体动力学尺度，而不是更小的动力学尺度的模拟。作为概念的证明，我们提出了基于Bhatnagar-Gross-Krook动力学模型的随机-确定性耦合方法。首先，从动力学方程精确推导出宏观综合方程，该方程不仅包含Navier-Stokes-Fourier本构关系，而且包含描述稀疏效应的高阶项。然后，从LVDSMC中提取高阶项，并将其输入到综合方程中，以预测比LVDSMC更接近稳态解的宏观性质。最后，更新LVDSMC中模拟粒子的状态，以反映宏观性质的变化。其结果是，收敛到稳定状态大大加快，并取消了对细胞大小和时间步长的限制：模拟几个典型的稀薄气体流动后，我们表明，LVDSMC-GSIS降低了两个数量级的计算成本在近连续流制度。
2022-10-17 physics.flu-dyn
An efficient topology optimization method for steady gas flows in all flow regimes
本文提出一种基于气体动理论的高效拓扑优化方法，通过修正虚拟孔隙率模型和构造全流态数值格式，结合连续伴随法求解梯度，实现了从连续流到稀薄流、亚声速到超声速的气体流动优化设计。
2023-08-14 physics.flu-dyn
Bulk-to-Wall Observability in Rarefied Hypersonic Flow: Moment Limits and Incident Half-Range Sufficiency
Semnan University（塞姆南大学）；University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）
量化了稀薄高超声速流中三角形突起表面载荷的体-壁依赖关系，通过DSMC模拟和区域-点诊断发现热传递具有最清晰的非局部支持，而剪切应力可识别性最差。
2026-09-04 physics.flu-dyn
A gas-surface interaction algorithm for discrete velocity methods in predicting rarefied and multi-scale flows: For Maxwell boundary model
本文针对离散速度方法（DVM）中气体-表面相互作用（GSI）仅使用完全适应系数的局限，构建了具有可调适应系数的Maxwell GSI边界条件，解决了宏观守恒与微观一致性问题，并结合统一气体动理学格式验证了其在多尺度流场模拟中的有效性。
2025-04-04 physics.flu-dyn
Physics-Guided Generative Surrogates for Parametric Rarefied Flows with Neural-Field Auto-Decoders: A Pipeline-Level Study of Flow Matching and Diffusion
Centre for Interdisciplinary Research in Fluids, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院力学研究所流体力学交叉研究中心）
该研究提出一种物理引导的条件隐式生成框架，以神经场自动解码器为核心，通过流匹配与扩散技术实现参数化稀薄流动的高效代理建模，在稳态基准测试中表现出高精度，且具备向多值或随机解扩展的潜力。
2026-08-27 physics.flu-dyn
Surrogate-Based Aerodynamic Shape Optimization in Multiscale Flows via the Implicit Unified Gas-Kinetic Scheme
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；HKUST Shenzhen Research Institute（香港科技大学深圳研究院）
针对HTV-2型高超声速飞行器在近空间多流域中的气动优化问题，通过耦合代理模型优化与隐式统一气体动力学格式，在体积和压心约束下实现升阻比提升，并揭示稀薄度对优化策略的影响。
2026-05-30 physics.flu-dyn
