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一种新型混合气体多松弛动理学模型方程及其验证分析
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作者 彭傲平 吴俊林 李志辉 《应用数学和力学》 北大核心 2025年第10期1245-1255,共11页
为研究跨流域气体混合物输运现象的流动机理,从气体动理学理论的基本方程Boltzmann方程出发,发展了一种适于混合气体的多松弛碰撞模型方程,并建立了与DSMC方法相适应的碰撞松弛频率表达式.模拟了多组元混合气体一维激波结构问题,与DSMC... 为研究跨流域气体混合物输运现象的流动机理,从气体动理学理论的基本方程Boltzmann方程出发,发展了一种适于混合气体的多松弛碰撞模型方程,并建立了与DSMC方法相适应的碰撞松弛频率表达式.模拟了多组元混合气体一维激波结构问题,与DSMC结果的对比表明:发展的模型方程能较好地反映激波内部混合气体整体及各组元的宏观参数变化过程,能用于模拟和分析混合气体各组元的扩散规律,验证了该多松弛模型方程的有效性和正确性.模拟结果表明:分子质量最小的组元扩散效应最显著,但受其他组元的影响较小,且流动的非平衡效应主要由分子质量最大的组元产生;在激波内部因温度梯度引起的热扩散对分子质量大小更加敏感,同时,组元浓度梯度引起的质量扩散使组元分离,在激波下游产生显著的非平衡效应,且在多组元混合气体中,中等质量分子的加入增大了大质量分子的扩散,加大了分离效应. 展开更多
关键词 混合气体 输运特性 气体动理论统一算法 激波结构
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大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用 被引量:7
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作者 李志辉 彭傲平 +5 位作者 马强 石卫波 党雷宁 梁杰 蒋新宇 唐小伟 《载人航天》 CSCD 北大核心 2020年第4期403-417,共15页
准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(... 准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。 展开更多
关键词 非常规再入落区数值预报 板舱桁架结构大型航天器 跨流域空气动力学 BOLTZMANN模型方程 气体动理论统一算法 结构响应变形/毁坏有限元算法
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基于修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法
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作者 皮兴才 李志辉 +2 位作者 彭傲平 吴俊林 蒋新宇 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2021年第2期125-132,共8页
随着稀薄程度的增加,Navier-Stokes方程的线性本构关系难以正确描述稀薄气体输运特性,高阶非线性本构关系往往数学形式极为复杂,对数值求解造成稳定性差等问题。为了发展适宜于近空间飞行器气动特性分析的高超声速稀薄流动模拟方法,本... 随着稀薄程度的增加,Navier-Stokes方程的线性本构关系难以正确描述稀薄气体输运特性,高阶非线性本构关系往往数学形式极为复杂,对数值求解造成稳定性差等问题。为了发展适宜于近空间飞行器气动特性分析的高超声速稀薄流动模拟方法,本文利用求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(Gas Kineitc Unified Algorithm,GKUA)对应力张量、热流等宏观量数值积分求解的优势,提出了一种基于数值修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法。通过将GKUA获得的应力张量及热流用于修正N-S方程的本构关系,实现了存在局部稀薄效应的流动模拟,并且通过可压缩平板边界层、圆柱绕流问题的数值模拟,验证了方法的有效性。 展开更多
关键词 近空间 本构关系 BOLTZMANN模型方程 气体动理学理论 耦合方法
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一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析
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作者 彭傲平 李志辉 +2 位作者 吴俊林 皮兴才 蒋新宇 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期2582-2594,共13页
临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大,在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象,流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关.通过分析... 临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大,在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象,流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关.通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼−恩斯科近似解,构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程,并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性,证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性,给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系,基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式.在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动,并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析,结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置,尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好,验证了新模型的有效性和可靠性,同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响. 展开更多
关键词 玻尔兹曼方程 气体动理论统一算法 查普曼−恩斯科近似解 考虑热流矢量与应力张量影响的碰撞模 气体分子碰撞松弛参数
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有限体积格子Boltzmann方法用于近空间连续流区绕流模拟
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作者 皮兴才 李志辉 +1 位作者 彭傲平 张子彬 《载人航天》 CSCD 北大核心 2020年第4期443-451,共9页
针对航天器再入解体形成残骸碎片的近空间绕流计算问题,拓展了格子Boltzmann方法在可压缩流动模拟的能力。引入有限体积隐式格式求解耦合双分布函数格子Boltzmann模型方程及采用圆函数为基础构造的D2Q13离散速度模型;引入IMEX-RK格式进... 针对航天器再入解体形成残骸碎片的近空间绕流计算问题,拓展了格子Boltzmann方法在可压缩流动模拟的能力。引入有限体积隐式格式求解耦合双分布函数格子Boltzmann模型方程及采用圆函数为基础构造的D2Q13离散速度模型;引入IMEX-RK格式进行了时间项离散解决模型方程的源项刚性问题;对Riemann问题、平板双马赫反射问题、RAE2822翼型跨声速绕流等近空间连续流区、可压缩典型案例进行了数值模拟。通过比较分析,初步验证了耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对连续流区、可压缩流动的模拟能力;进一步开展了方柱形解体残骸的超声速绕流模拟,得到与N-S方程计算结果吻合一致的绕流结果,证实经改进的耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对解体残骸碎片绕流问题具有较好的模拟能力。 展开更多
关键词 航天器残骸 格子BOLTZMANN方法 可压缩流动 刚性问题
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Numerical study on the gas-kinetic high-order schemes for solving Boltzmann model equation 被引量:2
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作者 LI ZhiHui peng aoping +1 位作者 ZHANG HanXin DENG XiaoGang 《Science China(Physics,Mechanics & Astronomy)》 SCIE EI CAS 2011年第9期1687-1701,共15页
The high-order compact finite difference technique is introduced to solve the Boltzmann model equation, and the gas-kinetic high-order schemes are developed to simulate the different kinetic model equations such as th... The high-order compact finite difference technique is introduced to solve the Boltzmann model equation, and the gas-kinetic high-order schemes are developed to simulate the different kinetic model equations such as the BGK model, the Shakhov model and the Ellipsoidal Statistical (ES) model in this paper. The methods are tested for the one-dimensional unsteady shock-tube problems with various Knudsen numbers, the inner flows of normal shock wave for different Mach numbers, and the two-dimensional flows past a circular cylinder and a NACA 002 airfoil to verify the reliability of the present high-order algorithm and simulate gas transport phenomena covering various flow regimes. The computed results are found in good agreement both with the theoretical prediction from continuum to rarefied gas dynamics, the related DSMC solutions, and with the experimental results. The numerical effect of the schemes with the different precision and the different types of Boltzmann collision models on the computational efficiency and computed results is investigated and analyzed. The numerical experience indicates that an approach developing and applying the gas-kinetic high-order algorithm is feasible for directly solving the Boltzmann model equation. 展开更多
关键词 Boltzmann model equation velocity distribution function high-order compact scheme discrete velocity ordinate method gas-kinetic high order accurate algorithm
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