A Kinetic Study of the Interactions of an Acoustic Vibrating Surface with Hypersonic Boundary-Layer Instabilities
University of Illinois, Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文通过DSMC方法研究高马赫数边界层第二模不稳定性，揭示了不稳定性特征及其与声学振动表面的相互作用。
2026-10-28 physics.flu-dyn
Linear Instability of Shock-Dominated Laminar Hypersonic Separated Flows
采用动力学直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法研究了双楔高超声速氮分子绕流中激波/边界层相互作用（SWBLI）系统的展向自激均匀扰动。流动的过渡努森数和单位雷诺数分别为3.4 x 10 $^{-3}$和5.2 x 10 $^4$ m $^{-1}$。由于上楔面产生的马赫数为7的分离（弓形）激波下游存在着强烈的热不平衡。线性不稳定性机制预计使预先计算的二维基流在展向扰动下可能不稳定。具体的目的是评估不稳定模式的增长率，波长，位置，和起源的展向周期性流动结构，以及在这种相互作用中存在的特征频率。
2021-01-11 physics.flu-dyn
Linear stability analysis of hypersonic boundary layers computed by a kinetic approach: A semi-infinite flat plate at Mach 4.5 and 9
线性稳定性分析使用二维直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法的组合计算的基本状态和解决有关的特征值问题，适用于典型的边界层上的半无限平板。监测三种不同的气体，即氮气、氩气和空气，后者是79%氮气和21%氧气的混合物，其自由流马赫数范围对应于55公里高度的飞行。一个神经网络已被用来预测和平滑的原始DSMC数据，获得的稳定层流剖面与（自相似）边界层理论计算的那些非常好的协议，等温或绝热壁条件下，受到适当的滑移修正DSMC方法计算。将与未平滑DSMC剖面相关的主要本征模式结果与经典边界层理论的结果进行比较。小定量，但没有显着的定性差异的两类稳定基流的结果已被发现在所有参数检查。在所有条件下，主导本征模的频率实际上是相同的，而当在基本流剖面中施加正确的速度滑移和温度跃变边界条件时，发现对应于DSMC剖面的扰动比在所研究条件下边界层中出现的扰动系统地阻尼更大;与此相反，当使用经典的无滑移边界条件时，得到的阻尼较小/更不稳定的剖面，这将导致流动提前转捩。另一方面，由神经网络平滑的DSMC配置文件比其未平滑的同行稍微更稳定。
2021-04-26 physics.flu-dyn
An implicit kinetic inviscid flux for predicting continuum flows in all speed regimes
在这项研究中，动力学无粘通量（KIF）的改进和隐式策略耦合。最近提出的KIF是一种无粘流，其微观机制使其能够很好地解决激波问题，具有对抗激波不稳定现象的优势。在推导隐式KIF时，注意到边界层中的动量通量矢量分裂（KFVS）部分不仅降低了计算精度，而且严重降低了Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）数。因此，本文提出了一个新的权重，如何更好地结合KFVS方法和全热化输运（TTT）方法。除了允许使用更大的CFL数外，新的权重在求解激波、边界层和复杂的超声速/高超声速流动时带来了更精确的数值结果，如压力、摩擦系数和热流。为了验证该方法的有效性、精度和效率，进行了6个覆盖整个速度区的数值算例，包括高超声速粘性圆柱绕流、高超声速双锥绕流、高超声速双椭球绕流、层流激波边界层干扰、超声速斜坡段绕流和盖驱动空腔绕流。详细讨论了该方案的优点和相应的机制。
2020-12-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A second-order unified gas-kinetic wave-particle method with enhanced mesh independence for hypersonic flows
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Northwestern Polytechnical University（西北工业大学）；HKUST Shenzhen Research Institute（香港科技大学深圳研究院）
提出二阶UGKWP方法，通过改进粒子采样精度、梯度重构和限制器，增强网格独立性，在高超声速圆柱和钝锥流动中验证了比DSMC更好的网格收敛性。
2026-06-29 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
Control of deterministic breakdown to turbulence of hypersonic boundary layer with spanwise non-uniform surface temperature
Imperial College London（伦敦帝国理工学院）；University of Surrey（萨里大学）
通过DNS研究了Mach6边界层中横向非均匀表面温度对确定性强迫下破转为湍流的影响，发现弱控制湍流可减少高频剪切应力并延迟转捩。
2026-09-29 physics.flu-dyn
Rarefaction-induced inflation and similarity breakdown of hypersonic bow shocks over a circular cylinder
University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）；Ferdowsi University of Mashhad（马什哈德费尔多西大学）
本文研究了稀薄效应诱导的超音速弓形激波在圆柱体上的膨胀现象，通过直接模拟蒙特卡罗方法分析了不同Knudsen数下的激波结构变化，揭示了稀薄流中激波的多尺度变化机制。
2026-05-16 physics.flu-dyn
An Implicit Discrete Adjoint Gas-Kinetic Scheme for Aerodynamic Shape Optimization across all Mach Number Regimes
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Shanghai Suochen Information Technology Co., Ltd（上海速晨信息技术有限公司）
基于气体动理学格式，结合源变换算法微分工具Tapenade和LU-SGS隐式时间推进，开发了适用于亚、跨、超、高超声速的隐式离散伴随气动优化方法。
2026-06-15 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。
2026-11-10 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Why gas-focused microjets are so fast: kinetically resolved, shear-driven flow focusing in vacuum
Depto. de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos, Universidad de Sevilla（航空与流体力学工程系，塞维利亚大学）
研究气体聚焦微射流速度快的原因，用确定性动力学求解器解析聚焦气体膨胀并与液体射流耦合，发现射流是剪切驱动，由单一稀疏参数及热力学德博拉数确定气体本构状态，为非牛顿计算提供应力输入。
2026-07-17 physics.flu-dyn
Unified Gas-Kinetic Scheme for Unsteady Multiscale Flows with Moving Boundaries
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Department of Mathematics, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学数学系）；Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学机械与航空航天工程系）；Shenzhen Research Institute, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学深圳研究院）
本文提出一种混合重叠移动网格技术，用于模拟具有移动边界的多尺度流体，如高超声多体分离和微机电系统中的流体，通过隐式不稳UGKS求解器提高计算效率。
2026-04-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Receptivity and instability of the hypersonic flow over moderately blunt cones
ENSMA；CEA
研究超高速流过钝体时，通过解析分析发现熵层对接收性结构有显著影响，最优条纹模式和熵层模式在不同条件下表现出不同的放大机制和温度混合机制。
2026-01-05 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
Loss of Axial Symmetry in Hypersonic Flows over Conical Shapes
本研究结合三层理论/线性稳定性分析与DSMC方法，发现马赫数16下锥形高超声速流动存在n=1的非轴对称放大模态，且三维模拟与轴对称模拟在双锥分离区流动结构上存在显著差异，揭示了轴对称假设的局限性。
2024-07-09 physics.flu-dyn
Adaptive criterion and modification of wave-particle decomposition in UGKWP method for high-speed flow simulation
针对高速流动中波-粒子分解在尺度剧变区效率不足的问题，本文引入时间、空间和梯度自适应准则并修正 UGKWP 的波通量演化，通过多类高超声速算例验证了其性能。
2025-06-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Noise-separated evidence for a slow collective displacement in a rarefied hypersonic bow-shock layer
Ferdowsi University of Mashhad（马什哈德 Ferdowsi 大学）；University of Massachusetts Amherst（麻省大学阿默斯特分校）
通过DSMC方法分析不同KnD下的高超声速氮气绕圆柱流动，解析出弓形激波层中弱慢集体位移，该位移为嵌入宽带波动的低通响应，密度层拓宽82%时角形状仍高度一致。
2026-08-19 physics.flu-dyn
Unified gas-kinetic wave-particle methods VII: diatomic gas with rotational and vibrational nonequilibrium
临近空间飞行器的高超声速绕流涉及到多尺度非平衡物理，局部Knudsen数从前缘高度可压缩流到后缘粒子自由输运变化很大。为了在一次计算中准确地捕获从连续Navier-Stokes解到稀薄气体动力学的所有流态的解，需要真正的多尺度方法。统一气体动力学波粒（UGKWP）方法的目标是模拟这样的多风输送。在统一气体动力学格式（UGKS）框架下，通过波粒分解，将Navier-Stokes波动力学和动力学粒子输运统一起来。本文基于多温度弛豫模型，发展了考虑平移、旋转和振动模态非平衡的UGKWP方法。在不同的流动状态下的高速流动的真实气体效应已被适当地捕获。通过Sod管、正激波结构、二维圆柱绕流、三维球体绕流和空间飞行器绕流的数值试验，验证了UGKWP方法的有效性。与基于离散速度法（DVM）的Boltzmann求解器和基于粒子的直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法相比，UGKWP方法在计算效率、内存减少和多尺度解的自动恢复等方面具有显著的优势.
2022-11-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Consistent Kinetic-Continuum Dissociation Model II: Continuum Formulation and Verification
在这篇文章中，我们实现了一个最近开发的非平衡化学动力学模型\cite{singhmodeldevelopment2019}的基础上\textit{ab initio}模拟数据，并进行验证研究。直接分子模拟数据被用来验证模型的预测能力。使用该模型，占主导地位的物理，如需要一个旋转能量方程，和非玻尔兹曼效应的定量作用被确定。基于分析和合理的假设，一个简化的模型，实施到大规模的CFD模拟。在不增加计算费用的情况下，该模型可用于现有的流动求解器来分析高超声速流动。
2019-12-23 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Nonequilibrium flow simulations using unified gas-kinetic wave-particle method
本研究采用统一气体动理学波粒（UGKWP）方法模拟多种非平衡流动，包括超声速绕球、高超声速绕航天器、真空羽流及侧喷干扰，在单一计算中准确捕捉复杂流动结构，并经实验或DSMC验证，内存需求低，适用于航空航天工程。
2023-10-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
AI-Accelerated Operator Learning Framework for Rarefied Microflows
University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）
本文提出一种结合深度神经网络和神经运算的AI加速框架，用于提升稀薄微流模拟的效率与精度。
2025-12-17 physics.flu-dyn
Unified gas-kinetic scheme with simplified multi-scale numerical flux for thermodynamic non-equilibrium flow in all flow regimes
本文提出了一种简化多尺度数值通量的统一气体动力学格式（UGKS），用于模拟包含分子振动自由度激发的热力学非平衡流动。该方法保持了宏观流动变量和微观气体分布函数在离散空间中的基本守恒定律。为了提高UGKS的计算效率，直接从动力学模型方程的特征差分解构造简化的多尺度数值通量。此外，本文还提出了一个新的双原子气体BGK型动力学模型来描述高温热力学非平衡效应，它是一个具有连续转动能和振动能分布模式的唯象弛豫模型。在本模型中，平衡分布函数的构造是通过使用多维厄米展开周围的麦克斯韦分布，以获得正确的普朗特数和适当的热通量松弛率。此外，非结构化的离散速度空间（DVS）和一个简单的积分误差校正的应用程序，减少了速度网格的数量显着，使本方法是一个有效的工具，在所有的流态模拟的流动。用Sod激波管、高非平衡激波结构、高超声速Knudsen（Kn）数Kn = 0.01的圆柱绕流和高超声速尖前缘平板绕流等一系列算例对新格式进行了验证。本文的UGKS结果与DSMC和其他验证方法的基准数据吻合得很好。
2022-08-31 physics.comp-ph 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 two stage fourth-order gas-kinetic scheme on unstructured hybrid mesh
本文针对不可压和可压粘性流动，提出了一种基于二维非结构混合网格的高精度四阶气体动力学格式。对于广义Riemann问题和Navier-Stokes方程，气体动力学格式（GKS）提供了一个时间精确的通量求解器，在单元界面上采用了不同的重建方法，其中使用了两个平衡态的斜率。与以往的一步法不同，本文采用了两步法Lax-Wendroff型时间推进法。与标准四阶Runge-Kutta方法相比，两级四阶Runge-Kutta方法减少了采用通量函数时间导数的复杂性。为了达到四阶精度，本文在结构网格和非结构混合网格上，提出了一种基于三次样条重构的有限体积法。在处理流动间断时，用与激波捕捉WENO格式相结合的样条格式代替原来的样条格式。通过对Couette流、Shu-Osher问题、Woodward-Colella爆炸问题、二维Riemann问题、粘性激波管流、前台阶超声速绕流和高超声速圆柱绕流等一维和二维算例的计算，验证了该格式的有效性。
2017-11-21 physics.flu-dyn
An Implicit Discrete Unified Gas-Kinetic Scheme for Simulations of Steady Flow in All Flow Regimes
本文提出了一种隐式离散统一气体动力学格式（DUGKS），以加快对各种流态下定常流动的模拟。DUGKS是一种适用于所有流态的多尺度有限体积方法，因为它能够恢复连续流态下的Navier-Stokes解和稀薄流中的自由输运机制，该机制将粒子输运和碰撞耦合在细胞界面处的通量计算中。在本文中，预测迭代构造更新的宏观变量和离散的微观速度空间中的气体分布函数。应用上下对称高斯-赛德尔（LU-SGS）分解求解隐式方程。采用大CFL数的数值时间步长，可以使隐式离散统一气体动力学格式（IDUGKS）快速收敛。通过Couette流、不同Knudsen数下的盖驱动空腔流和高超声速圆柱绕流转捩区的数值算例验证了该方法的有效性。与显式DUGKS相比，IDUGKS模拟所有流态的定常流动的计算效率可提高一至两个数量级。
2017-09-06 physics.flu-dyn
A quasi-dynamic one-equation model with joint constraints of kinetic energy and helicity fluxes for large eddy simulation of rotating turbulence
本文提出一种由动能和螺旋度通量联合约束的准动态单方程SGS模型（QCM），通过动态获取系数并引入双通道螺旋度通量理论，显著提升了强螺旋度影响下的旋转流预测及转捩过程处理能力。
2024-01-04 physics.flu-dyn
A unified gas-kinetic wave-particle method for multiscale binary-species gas mixtures
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Northwestern Polytechnical University（西北工业大学）；HKUST Shenzhen Research Institute（香港科技大学深圳研究院）
本文提出了一种统一的气体-动能波-粒子方法，用于模拟多尺度二元气体混合物，通过直接建模离散空间，自动将气体分布函数分解为分析流体波和离散粒子，分别描述其近平衡和非平衡部分，该方法在模拟各种多尺度物理现象如高超声流、等离子体输运和辐射输运中具有显著优势。
2026-05-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Kinetic modelling of rarefied gas flows with radiation
针对高温含辐射稀薄气体流动，提出两种动理学模型，分别采用 Boltzmann 碰撞算子与弛豫时间近似，自洽耦合非平衡动力学，经直接模拟 Monte Carlo 方法验证，发现辐射对障碍物表面总传热有显著贡献。
2022-08-29 physics.flu-dyn
A semi-Lagrangian gas-kinetic scheme for smooth flows
本文基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）方程，发展了一种光滑流动的半拉格朗日气体动力学格式。作为一个有限体积的计划，在控制体积的平均流量变量的演变是在欧拉框架下，而整个细胞界面的数值通量的建设来自拉格朗日的角度。拉格朗日方面的采用使得碰撞和运输机制内在地耦合在一起的通量评估。因此，时间步长与粒子碰撞时间无关，仅由Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）条件确定。一组仿真进行了验证新方案的性能。结果表明，该格式具有二阶空间精度，数值耗散小，能准确捕捉低速不可压到高超声速可压缩区域内有粘性热耗散光滑流的Navier-Stokes解。
2014-12-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Characterization of boundary layers on isothermal and adiabatic curved surfaces of a supersonic turbine cascade
本文通过大涡模拟研究超声速涡轮叶栅中绝热与等温边界条件对激波-边界层相互作用的影响，重点分析凸凹壁面来流边界层特性，揭示热边界条件对分离泡尺寸的差异作用。
2025-09-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A unified gas-kinetic wave-particle method for multiscale gas-mixture flow with an elementary chemical reaction
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Northwestern Polytechnical University（西北工业大学）；HKUST Shenzhen Research Institute（香港科技大学深圳研究院）
本文将UGKWP方法扩展至带基元反应的多尺度混合气体流动，通过波粒解耦、宏观化学源项处理等方式改进，经高超声速圆柱、激波结构及三维侧喷算例验证，与DSMC结果吻合，具备多尺度多物种反应流动计算能力。
2026-09-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A wave-particle decomposition framework for multiscale kinetic transport: continuous-spectrum equations and coupled wave-particle iteration
Institute of Applied Physics and Computational Mathematics（应用物理与计算数学研究所）；Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）
提出波-粒子分解框架，通过连续谱方程和耦合迭代统一多尺度动理学输运，实现从动理学到流体动力学的自适应模拟，并显著加速高超声速流动计算。
2026-09-29 physics.flu-dyn
Phenomenological energy exchange of diatomic gases: Comparison of Pullin and Borgnakke-Larsen models in direct simulation Monte Carlo method
Northwestern Polytechnical University（西北工业大学）；Dawning Information Industry Co., Ltd（曙光信息产业股份有限公司）
本文比较了Pullin与Borgnakke-Larsen模型在DSMC方法中的表现，验证了Pullin模型在稀薄流中的可靠性与准确性。
2026-02-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Physical Modeling and Numerical Studies of Three-dimensional Non-equilibrium Multi-temperature Flows
对于越来越稀薄的流场，Navier-Stokes（NS）方程失去了部分准确性，由于单一的温度近似。为了克服这一障碍，本文提出了一种基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）方程和Landau-Teller-Jeans松弛模型耦合的连续多温度模型，用于二维高超声速非平衡多温度流场计算。近年来，发展了一种两阶段四阶气体动力学格式（GKS），该格式在时间和空间上都达到了四阶精度，具有较高的计算效率和鲁棒性。为了准确、高效地模拟多温非平衡流动，在两阶段四阶框架下，采用四阶Simpson插值规则对新出现的源项进行插值，实现了高阶三维多温GKS。通过对衰减均匀各向同性湍流、低密度喷管流、稀薄高超声速平板绕流和IV型激波-激波干扰的数值模拟，验证了多温度模型的正确性。统一气体动力学方案（UGKS）的结果，和直接模拟蒙特卡罗（DSMC）的解决方案，以及在某些情况下进行验证。计算结果不仅证实了该格式的高阶精度和较强的鲁棒性，而且与UGKS和DSMC相比，计算效率有了显著提高，特别是在近连续流区。
2018-10-11 physics.comp-ph 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
A gradient-compression-based compact high-order gas-kinetic scheme on three-dimensional hybrid unstructured mesh
本文将可压缩流动的紧致气体动力学格式推广到混合非结构网格。基于时间精确的气体演化模型更新的单元平均流动变量及其梯度，在非结构网格上得到了一种紧凑的三阶最小二乘约束重构，并在间断解的情况下采用多分辨率WENO重构.此外，考虑到流动变量在网格界面处可能出现的不连续性，提出了一种网格平均梯度的压缩因子，有效地提高了紧致格式在不规则网格上高速流动计算的鲁棒性，并保持了计算精度.从不可压流到高超声速流的数值试验证明了基于梯度压缩的高阶紧致格式的广泛适用性。
2021-07-12 cs.NA math.NA physics.comp-ph
One vertex generates the hard-sphere Boltzmann collision hierarchy
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
本文证明硬球玻尔兹曼碰撞层级仅含一种原始碰撞定律，所有多项式碰撞顶点可由该定律经通用运算得到，马赫5激波的八阶测试验证了该结论。
2026-10-14 physics.flu-dyn
A conservative implicit scheme for three-dimensional steady flows of diatomic gases in all flow regimes using unstructured meshes in the physical and velocity spaces
统一框架下的计算精度高、效率高的数值方法是解决多尺度科学和工程问题的关键。迄今为止，许多数值方法在求解大范围Knudsen数的多尺度非平衡流动，特别是三维高超声速流动时遇到了各种各样的挑战。本文进一步提出了一种适用于三维定常双原子气体流动的守恒隐式格式，该格式同时求解基于Rykov模型的隐式微观动力学方程和相应的隐式宏观控制方程。在此基础上，提出了一种基于离散统一气体动力学格式（DUGKS）的简化多尺度数值通量格式，解决了网格尺寸和时间步长对所有流态的限制。通量的构造是通过一个向后的欧拉差分格式与碰撞的影响，在细胞界面上的气体分布函数的物理重建。同时，分析了它在连续极限下的渐近保持性。为了追求三维流动模拟的高计算效率，采用非结构化离散速度空间（DVS）和MPI并行技术，进一步提高了计算速度。基于阿波罗6号指令舱的数值实验，提出了一种三维非结构DVS的经验生成准则。数值结果表明，该方法比显式守恒DUGKS方法快1 ~ 2个数量级。计算结果表明，该方法能够准确、有效地预测高超声速稀薄气体流动的气动热力特性。
2023-03-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Unified gas-kinetic scheme for reactive flow with multi-scale transport and chemical non-equilibrium
本研究将统一气体动理学格式（UGKS）扩展至化学非平衡反应流场景，通过多类算例与直接模拟蒙特卡洛方法对比验证，证明该扩展方案在复杂非平衡多尺度流动仿真中极具潜力，可支撑航空航天、半导体制造等领域应用。
2024-12-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
General Implicit Iterative Method for Unified Gas-kinetic Scheme
为了进一步提高用于多尺度流动模拟的隐式统一气体动力学格式（IUGKS，JCP 315（2016）16-38）的计算效率，本文提出了一种两步IUGKS格式。UGKS的多尺度解由动力学模型方程的积分解决定，该动力学模型方程由平衡态和非平衡态的自由粒子输运的拉格朗日积分组成。通过第一步迭代中对宏观变量的隐式计算，平衡点的积分可直接用于第二步迭代中宏观流动变量的通量计算。这相当于在隐式格式中加入粘性通量以加速解的收敛，而不是在原IUGKS的迭代过程中使用Euler通量。在目前的IUGKS中，宏观流动变量的更新与气体分布函数的隐式演化紧密耦合。同时，为了得到更精确的解，通过罚函数法将完整的玻尔兹曼碰撞项引入到现有的格式中。不同的迭代技术，如LU-SGS和多重网格，用于解决耦合的宏观和微观方程的线性代数系统。在动力学方程的所有隐式格式中，IUGKS格式的效率已达到较好的水平。几个数值例子被用来验证的IUGKS的性能。在从低速到高超音速的所有流动状态下，都有效地获得了精确的解。
2021-05-02 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A HWENO Reconstruction Based High-order Compact Gas-kinetic Scheme on Unstructured Meshes
作为先前结构网格上四阶紧致气体动力学格式（GKS）的扩展（Ji et al. 2018），这项工作是关于在可压缩Euler和Navier-Stokes解的非结构网格上开发三阶紧致GKS。基于时间精确的高阶气体动力学演化解，GKS中的时间相关气体分布函数不仅提供了单元界面处的通量函数及其时间导数，而且还提供了下一个时间水平处的时间精确的流动变量。因此，除了通过界面通量更新每个控制体积内的保守流变量之外，还可以通过发散定理使用该单元周围的单元界面处的更新的流变量来获得单元中的流变量的单元平均一阶空间导数。因此，与每个细胞内的流动变量和它们的一阶空间导数，Hermite WENO（HWENO）技术可以自然地实现紧凑的高阶重建在一个新的时间步长的开始。遵循（Zhu et al. 2018）中的重建方法，在当前方案中设计了一种新的三角形网格上的HWENO重建。结合两阶段时间离散和二阶气体动力学通量函数，在当前的紧凑格式的三阶空间和时间精度可以实现。精确的解决方案，可以获得无粘和粘性流没有敏感的依赖于三角形网格的质量。通过高超声速粘性流场的强激波模拟，验证了该格式的鲁棒性。
2019-02-14 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A simplified unified wave-particle method for diatomic gases with rotational and vibrational non-equilibrium
本文提出基于量化模型竞争机制的简化统一波粒方法，结合三温度模型与无碰撞DSMC求解器，高效准确模拟双原子气体转动与振动非平衡多尺度流动。
2025-07-01 cs.NA math.NA 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 Paradigm for Modeling and Computation of Gas Dynamics
在连续流区，通常用纳维-斯托克斯方程来描述气体动力学。另一方面，玻尔兹曼方程适用于稀薄气体动力学。这两个方程都是从不同尺度的流动物理模型中构建的。幸运的是，由于尺度的明显分离，即，流体动力学方程和动力学方程，纳维-斯托克斯方程和Boltzmann方程在各自的区域内都成立。然而，在实际的物理应用中，可能不存在这种独特的尺度分离。例如，在高超音速飞行器周围，不同区域的流动物理可以对应于不同的区域，其中局部努森数可以在几个数量级上变化。随着模拟尺度的变化，理论上应该存在从动力学Boltzmann方程到流体力学纳维-斯托克斯方程的连续控制方程。然而，由于在动力学和流体动力学之间的尺度上直接模拟流动物理的困难，基本上没有可靠的理论或有效的控制方程来覆盖整个过渡区。实际上，随着雷诺数的减小，NS方程的有效性的精确尺度是一个尚未解决的问题。传统的计算流体动力学（CFD）是以偏微分方程（PDE）的数值解为基础的，其目标是在网格尺寸和时间步长收敛到零时恢复PDE的精确解。这种方法在这里很难应用，因为没有这样一个完整的偏微分方程的流动物理在所有的尺度。现在可能是时候将建模和计算结合在一起，而不需要经过构建偏微分方程的过程。换句话说，CFD研究不仅仅是获得控制方程的数值解，更重要的是构造一个有效的离散控制方程来识别网格尺寸和时间步长尺度上的流动物理。在本文中，我们将提出建模和计算的想法。这种方法导致统一…
2016-08-01 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
High-order Compact Gas-kinetic Schemes for Three-dimensional Flow Simulation on Tetrahedral Mesh
最近提出了一个发展高阶紧致格式的一般框架。这些方案的核心步骤包括以下几个方面。1）。基于动力学模型方程，从广义的初始流动变量分布出发，构造了细胞界面处气体分布函数的时间精确演化解; 2）。将WENO型权函数引入到多阶多导数时间步格式中的细胞界面通量函数的时间导数中，以处理激波在一个时间步内可能撞击细胞界面的情况; 3）.取界面气体分布函数的矩，以获得时间精确的流动变量和相应的通量在细胞界面处，并更新每个控制体积内的细胞平均流动变量及其梯度; 4）.在重构单元依赖的物理域内，基于单元平均的流场变量及其梯度，进行紧凑的初始数据重构，得到下一时间步开始时的初始流场分布。在二维非结构网格上建立了一种空间精度达到六阶、时间精度达到四阶的气体动力学紧致格式。在本文中，紧凑的GKS高达四阶精度的三维四面体网格将进一步构建与WENO型的初始数据重建的重点。通过非线性权系数的设计，使光滑Navier-Stokes方程的解具有高精度，并在强激波干扰的三维计算中保持了超强的鲁棒性。四阶紧致GKS可以采用CFL数为$0.6$的大时间步长，模拟从亚音速到高超声速的流动。一系列的测试用例被用来验证该方案。高阶紧凑GKS为具有复杂几何形状的3D应用做好了准备。
2022-08-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An asymptotic-preserving adjoint unified gas kinetic scheme for sensitivity analysis
Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）
针对多尺度气体动力学高维灵敏度分析的梯度评估难题，提出保渐近伴随统一气体动理学格式，通过双一致格式、特定投影提升方案等实现高效计算，经多类流动案例验证了其精度与鲁棒性。
2026-08-05 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Assessment of the impact of two-dimensional wall deformations' shape on high-speed boundary layer disturbances
以前的实验和数值研究表明，二维粗糙元可以稳定高超声速边界层内的扰动，并最终延迟转捩的开始。本文的目的是评估在高速边界层内传播的扰动对各种不同形状的二维表面变形的响应。我们执行各种二维表面不均匀性的影响，如向后或向前的步骤，向后和向前的步骤，波浪形表面，表面倾角和表面驼峰的组合进行评估。马赫数为5.92的平板边界层内的扰动是在上游位置用周期性的壁面吹气和吸气激发的。数值工具包括一个高精度数值算法，用于求解曲线坐标系中非定常、可压缩形式的纳维-斯托克斯方程。结果表明，各种表面非均匀性都能在一定程度上减小边界层扰动的幅值。扰动能量减少的量与由变形引起的压力梯度的类型（不利的或有利的）有关。边界层内扰动能量减少的一个可能原因（除其他原因外）被认为是动能沿着壁变形产生的不连续部分偏离外部流的结果。
2018-07-05 physics.flu-dyn
Particles on Demand for flows with strong discontinuities
粒子按需运动理论[B]. Dorschner，F. Bösch和我V. Karlin，{ \it Phys. Rev. Lett.} { \bf 121}，130602（2018）]用于模拟密度、压力和速度具有强烈不连续性的各种可压缩流。对“按需粒子”方法的原始公式进行了两项修改。首先，粒子群的格拉德投影的正则化与参考系变换相结合，以提高稳定性和准确性。其次，有限体积计划的实施，允许严格控制的质量，动量和能量守恒。所提出的模型进行了验证与一系列具有挑战性的一维和二维基准的可压缩流，包括高超音速和近真空的情况下，Richtmyer-Meshkov不稳定性，双马赫反射和天体物理喷流。优良的性能的修改后的粒子按需方法证明超出了其他格子玻尔兹曼方法的局限性，可压缩流。
2022-03-10 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Rigorously justified local time stepping in the unified gas-kinetic wave-particle method for steady multiscale flow simulation
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）
研究将局部时间步长（LTS）纳入UGKWP方法用于稳态多尺度流动模拟，通过严格分析得出固定Δti可保证通量平衡，结合相关缩放形成无自由参数的保守框架，该方法在圆柱和平板基准测试中验证有效，显著加速收敛并减少计算时间。
2026-09-02 physics.comp-ph 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
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
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
