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
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
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
Particle-based fluid dynamics: comparison of different BGK models and DSMC for hypersonic flows
将Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)模型及其扩展模型(椭球统计BGK、Shakhov BGK、统一BGK)应用于基于粒子的流体动力学,并与直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法进行了比较。为此,不同的方法进行调查,允许有效的采样的Shakhov和统一的目标分布函数。因此,基于Shakhov BGK和统一BGK模型的粒子模拟可以以有效的方式进行。此外,不同的节能方案进行了测试的BGK模型。结果表明,能量守恒方案的选择对每个模型的结果质量有重大影响。在不同的努森数和壁面速度的Couette流问题的模型进行了验证。此外,该模型与DSMC结果的高超声速绕70 $^\circ$钝锥流进行了比较。结果表明,统一的BGK模型能够再现稀薄气体现象。此外,对于70 $^\circ$钝锥绕流,椭球统计BGK和Shakhov BGK模型在再现激波结构方面的差异并不显著,而显著地依赖于能量守恒方法。能量守恒方法的选择对于Shakhov模型尤其重要,而椭球统计BGK模型在能量守恒方案方面更加稳健。此外,一个计算时间的研究进行了显示效率的BGK为基础的模拟低努森数流相比,DSMC。
2018-09-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
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
Accuracy and Performance Evaluation of Low Density Internal and External Flow Predictions using CFD and DSMC
本研究评估DSMC与CFD在低密度内外流动预测中的精度和性能,通过喷嘴与锥形体案例比较,并探讨混合CFD-DSMC方法的可行性。
2024-04-08 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
Analysis of the Rarefied Flow at Micro-Step using a DeepONet Surrogate Model with a Physics-Guided Zonal Loss Function
本文提出一种带物理引导分区损失函数的DeepONet代理模型,用于高效模拟微台阶稀薄流动,在毫秒级预测速度场的同时实现对再循环区涡动力学的精确捕捉,相比DSMC加速数个数量级。
2025-09-21 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 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
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
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
Machine learning for rarefied gas transport in vacuum and micro/nano systems: promise, pitfalls, and a verification agenda
University of Massachusetts Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校)
本文分析机器学习在稀薄气体建模中的挑战,提出基于外推测试、噪声感知指标和三级验证层次的评估标准,以区分可靠与暂定成果。
2026-06-15 physics.flu-dyn
A unified stochastic particle method based on the Bhatnagar-Gross-Krook model for polyatomic gases and its combination with DSMC
由于高超音速绕流固有的多尺度性和非平衡性,模拟这种绕流是一个挑战。为了有效地处理这种流动,最近发展了一种新的粒子-粒子混合方法,该方法将随机粒子Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)方法与直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法相结合,但仅适用于单原子气体[Fei et.例如,J. Comput. Phys.2021]。在这里,这项工作扩展到多原子气体的粒子-粒子混合方法。在近连续区,采用Y. Dauvois等。[Eur. J. Mech. BFluids,2021],采用离散能级的振动能量,首先根据统一随机粒子BGK(USPBGK)格式的思想建立了随机粒子BGK方法。在流体极限下,它已被证明具有二阶时间和空间精度。然后,将具有转动能和振动能的USPBGK格式与DSMC相结合,构造了一种求解多原子气体的混合方法。通过对均匀松弛、一维激波结构和二维高超声速绕流的数值试验,验证了该混合格式的有效性。与传统的随机粒子方法相比,所提出的混合方法可以以更低的计算成本获得更高的精度。因此,它是研究多尺度高超声速流动的一种有效工具。
2022-01-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
General Reynolds Analogy for Blunt-nosed Bodies in Hypersonic Flows
本文研究了高超声速绕流中钝头体迎风面表面摩擦与换热的关系。采用自相似边界层分析方法,计算了壁面摩阻与换热系数之比沿壁面的分布。从理论上得到了该比值与壁面的局部倾斜角呈线性关系,并给出了圆柱体的显式类比表达式,尽管在其他头部形状甚至在有化学反应的气体流动中也发现了该比值的线性分布。此外,基于Burnett方程中二阶剪切和传热项的理论模型,通过考虑稀薄气体效应,在近连续区导出了修正的类比。并构造了一个桥函数来描述过渡流区的非线性相似。最后,采用直接模拟蒙特卡罗方法对理论结果进行了验证。除了经典的雷诺类比外,一般的类比既适用于平板,也适用于钝头体,无论是在连续流中还是在稀薄的高超音速流中。
2015-01-02 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
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
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
Efficient Collision Algorithms in DSMC for Rarefied Gas Dynamics: Markovian NTC-Pre-Scan and Bernoulli-Trial Schemes
本文指出标准NTC碰撞算法因非马尔可夫性在低粒子数下失准,提出马尔可夫化的NTC-Pre-Scan算法,并系统评估多种伯努利试验方案,证明其能在每单元粒子数低于1时保持碰撞频率。
2025-11-11 physics.comp-ph 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
Gas-surface scattering and collisional feedback in rarefied hypersonic flow past an inclined flat plate
Universitat Politècnica de Catalunya–BarcelonaTech (UPC)(加泰罗尼亚理工大学);European Space Agency (ESA), European Space Research and Technology Centre (ESTEC)(欧洲空间局(ESA)欧洲空间研究与技术中心(ESTEC))
本研究采用直接模拟蒙特卡罗方法,考察稀薄高超声速流过40°倾斜平板时,气体-表面散射定律通过分子碰撞对入射分子群体的反馈效应,评估Maxwell与CLL散射模型,发现群体反馈与力的投影决定散射响应在宏观量中的增强、掩盖或反转。
2026-10-06 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
Lateral turbulent jet in rarefied environment
本研究采用结合SST湍流模型与GSIS稀薄气体方法的GSIS-SST,分析50–80 km高度横向射流中湍流与稀薄效应的耦合影响,揭示二者对俯仰力矩、热通量和剪切应力预测的显著差异。
2025-01-09 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
Multiscale simulation of coexisting turbulent and rarefied gas flows
针对湍流与稀薄气体流动难以统一模拟的挑战,研究提出结合介观Boltzmann方程合成迭代格式与k-ω湍流模型的多尺度方法,经实验与稀薄流验证,可捕捉高超声速对向喷流中湍流对表面热流的显著影响。
2024-08-15 physics.flu-dyn
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
Multilevel radial basis function surrogates for noise-robust DSMC-CFD coupling
School of Engineering, University of Warwick(华威大学工程学院)
针对稀薄气体流动模拟中DSMC-CFD耦合的噪声鲁棒性和几何适应性难题,提出多层径向基函数替代全局多项式,在MMS-Sparse框架内实现局部光滑修正,通过有限体积求解器验证了二维耦合的准确性与自动化。
2026-09-29 physics.flu-dyn
Cross-stream pressure support and the limits of scalar relaxation in rarefied Poiseuille flow
Gyeongsang National University(庆尚国立大学);University of Massachusetts Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校)
该研究针对稀化泊肃叶流动,分析了压力驱动下弱壁法向压力变化的机制,通过DSMC模拟与NCCR模型,揭示了应力与动量补偿对压力振幅的影响,指出弱非平衡可观测量的一致性不代表内部闭合机制正确。
2026-08-04 physics.flu-dyn
A two-temperature gas-kinetic scheme for hypersonic nonequilibrium flow computations
Xi’an Jiaotong University(西安交通大学);China Jiliang University(中国计量大学)
本文提出一种两温气体动力学方案,用于更准确地模拟高超声非平衡流中的真实气体效应,同时提高计算效率和鲁棒性。
2026-01-03 physics.flu-dyn
Simulation of Weakly Ionized Hypersonic Flows with Reactive Species Weighting Scheme in the Direct Simulation Monte Carlo Method
Nagoya University(名古屋大学)
本研究将保守物种加权方案扩展至DSMC反应流,通过分裂-合并与概率方法处理不同权重粒子,在OREX飞行条件下验证了宏观流场,并准确预测了电子数密度与通信黑障起始。
2026-10-07 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Improving Spatio-Temporal Accuracy of the Stochastic Particle Fokker-Planck Model
针对FPM模型一阶时空精度限制计算效率的问题,提出USP-FPM模型,通过引入二阶能量松弛和多项式重构实现双原子气体的二阶时空精度,在保持与DSMC结果一致的同时显著降低计算成本。
2025-06-29 physics.flu-dyn
Shock-Centered Low-Rank Structure and Neural-Operator Representation of Rarefied Micro-Nozzle Flows
University of Massachusetts Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校);Hakim Sabzevari University(哈基姆萨布泽瓦里大学)
本文研究了DSMC解析内部压缩层的结构,发现其参数复杂性主要源于注册和有限厚度效应。通过密度梯度诊断确定压缩层站点,利用冲击厚度定义冲击中心坐标,通过POD分析验证了冲击中心结构的紧凑性,并展示了神经运算网络在预测流体参数中的有效性。
2026-05-12 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
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
Modelling drag coefficients of ellipsoidal particles in rarefied flow conditions
在航空航天和半导体制造等不同的实际应用中,精确捕捉具有复杂形状的颗粒和稀薄气体流动之间的双向耦合相互作用的重要性正在迅速上升。在这些条件下的颗粒的运输通常通过欧拉-拉格朗日点颗粒方法建模,其中通过对颗粒所经历的拖曳力的现象学坎宁安校正来包括稀疏效应。在点粒子方法中,通常忽略与粒子的有限尺寸、形状、取向和动量调节系数的任何显式关系。在这项工作中,我们的目标是覆盖这一差距,从完全解决DSMC模拟,启发式模型的阻力作用在椭球体颗粒具有不同的纵横比。我们包括在模型中的能力,通过切向动量调节系数(TMAC)来预测与气体表面相互作用的影响。导出的模型可以用来作为校正(包括形状,取向和TMAC效应)在标准的欧拉-拉格朗日点粒子模拟稀薄气体流动。此外,我们表明,所获得的阻力修正,正式有效的无界气体流动,也可以潜在地应用在粒子移动接近固体壁的情况下。我们这样做,通过调查近壁的影响,对一个长椭球体颗粒的阻力。由于限制效应,当与无边界情况相比时,阻力增加,但是对于大的$Kn$,在颗粒与固体壁接触的情况下,这种效应通常是可以忽略的。
2022-08-12 physics.flu-dyn
Simplified unified wave-particle method for diatomic gases based on Rykov model
本研究基于Rykov模型方程推导出量化模型竞争机制,将N-S求解器与无碰撞DSMC求解器在单元内直接集成,提出用于双原子气体的简化统一波粒子方法,有效解决了多尺度流动模拟问题。
2024-09-21 physics.flu-dyn
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
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
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
Kinetic modelling of three-dimensional shock/laminar separation bubble instabilities in hypersonic flows over a double wedge
本文研究了由激波/边界层干扰(SBLI)引起的三维展向均匀层流分离泡(LSB)的线性整体不稳定性。在对应于自由流动单位雷诺数$Re_1=5.2\times 10^{4}$ m $^{-1}$的这些条件下,流动表现出稀疏效应,激波厚度与分离时附面层的大小相当。这反过来又需要使用高保真直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法来准确地解决非定常流特征。我们第一次表明,LSB维持自激,小振幅,3-D扰动,导致展向周期性的流动结构不仅在和下游的分离区域,如在众多的实验和数值模拟,而且在内部结构的分离和分离激波层。发现两个区域中结构的展向周期长度和生长速率相同。结果表明,线性整体不稳定性导致分离激波与分离激波相交形成的三相点的低频不稳定,对应的Strouhal数为$St\sim0.02$。展向均匀基流和主导的三维流动本征模的线性叠加提供了LSB和激波层中线性不稳定性之间强耦合的进一步证据。
2021-01-22 physics.flu-dyn
On the Applicability of the Gas-Kinetic Scheme with Kinetic Boundary Conditions for Near-Continuum Hypersonic Flows
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)
本文研究气体动理学格式(GKS)结合动理学边界条件在近连续高超音速流动中的适用性,通过比较表面量和分布函数,验证其在滑移和过渡流区域的准确性和计算效率。
2026-05-22 physics.flu-dyn
A new coupled computational method in conjunction with three-dimensional finite volume schemes for nonlinear coupled constitutive relations
非平衡效应在高速稀薄气体流动中起着至关重要的作用,而对这些流态的精确模拟远远超出了近局部平衡Navier-Stokes-Fourier方程的能力。Eu提出了符合不可逆热力学定律的广义流体力学方程来解决这个问题。基于Eu的广义流体力学方程,R. S. Myong发展了一个计算模型,即非线性耦合本构关系(NCCR),并成功地应用于一维激波结构和二维稀薄流动。本文首先采用有限体积格式,包括LU-SGS时间推进格式、MUSCL插值格式和AUSMPW+格式,研究了NCCR模型在三维高超声速稀薄气体复杂流动中的有效性和潜力。此外,为了解决三维复杂流动中的计算稳定性问题,本文还对NCCR模型进行了修正。最后,对一个三维空心圆柱-喇叭结构的滑移复杂流场进行了计算。数值计算结果表明,修正后的NCCR模型解与DSMC结果和实验数据的吻合程度优于NSF方程,表明了NCCR模型在进一步应用中的潜力。
2016-11-04 physics.flu-dyn
A second-order particle Fokker-Planck-Master method for diatomic gas flows
针对双原子气体流动,提出统一随机粒子Fokker-Planck-Master(USP-FPM)方法,实现时间与空间二阶精度,在粗网格和大时间步长下保持精度,高超声速圆柱绕流较DSMC加速28倍。
2025-07-24 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
Comparison of the Shakhov and ellipsoidal models for the Boltzmann equation and DSMC for ab initio-based particle interactions
在本文中,我们考虑的碰撞项的Shakhov和椭球模型的玻尔兹曼方程的能力,以捕捉稀薄气体流动的特性。通过比较这些动力学模型方程与粒子通过从头算势相互作用的直接模拟Monte Carlo(DSMC)结果所获得的结果进行基准。分析仅限于平行板之间的通道流动,我们考虑三个流动问题,即:固定板之间的传热,库埃特流和剪切下的传热。对于3 He、4 He和Ne气体,在非线性区域进行模拟。3 He和4 He的参考温度范围为1 K至3000 K,Ne的参考温度范围为20 K至5000 K。虽然良好的协议被视为直接现象(剪切应力,热通量驱动的温度梯度)的过渡制度,在交叉现象(热通量垂直于温度梯度)的相对误差超过10%,即使在滑流制度。动力学模型方程的求解使用有限差分格子玻尔兹曼算法的基础上半范围高斯-厄米求积与三阶迎风方法用于执行的平流。
2020-07-18 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
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
Fast-Converging and Asymptotic-Preserving DSMC
本文提出了一种快速收敛且渐近保持的DSMC方法,通过DIG方案提升多尺度流体模拟的效率和精度,尤其在近连续流 regime 中表现出显著优势。
2025-11-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Data-Driven Surrogate Modeling of DSMC Solutions Using Deep Neural Networks
提出一种深度神经网络框架,通过注入物理约束、可学习傅里叶特征和专家族插值策略,构建了高保真、快速的DSMC代理模型,在稀薄气体流动模拟中实现了毫秒级推理与强泛化能力。
2025-06-14 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Coupled Thermochemical Ablation and Rarefied Particle Erosion during Mars Entry
University of Central Florida(中佛罗里达大学)
本研究提出耦合热化学烧蚀与稀薄粒子侵蚀的框架,应用于火星进入轨迹,发现粒子侵蚀显著增加热防护层退缩,且连续介质阻力相关性低估侵蚀速率31-35%。
2026-10-08 physics.flu-dyn
Prescribed Wall-Heat-Flux Control of Blockage and Impulse in a Rarefied Micro-Nozzle
Hakim Sabzevari University(哈基姆萨布泽瓦尔大学);University of Massachusetts Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校)
本文研究了通过预设壁面热流控制稀薄微喷嘴流体的阻塞和脉冲现象,通过直接模拟蒙特卡罗方法分析了氮气在收敛-扩张微喷嘴中不同加热、冷却和绝热条件下的流动特性,探讨了热流对壁面-流体热响应的耦合效应及主要贡献。
2026-05-19 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
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