在臨近空間高超聲速飛行器氣動(dòng)載荷、航天飛行器變軌/調(diào)姿、微尺度元器件傳質(zhì)/傳熱等科學(xué)和工程實(shí)踐中,存在著大量的時(shí)序多流域（多尺度）流動(dòng)問題以及位于單一流場中的復(fù)雜多流域問題（局部稀薄問題）,對數(shù)值預(yù)測工作提出挑戰(zhàn).因此,近年來從介觀氣體動(dòng)理學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展出了一大類將連續(xù)流與稀薄流進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算的高效數(shù)值方法,包括確定論形式的UGKS, GKUA和DUGKS方法,以及粒子形式的USP-BGK和UGKWP方法.文章圍繞著確定論和統(tǒng)計(jì)粒子兩類統(tǒng)一方法的最新研究進(jìn)展進(jìn)行回顧和分析,重點(diǎn)關(guān)注在每種方法中全流域統(tǒng)一性質(zhì)的來源與實(shí)現(xiàn)方式、目前已取得的關(guān)鍵進(jìn)展以及該方法的擴(kuò)展性和應(yīng)用價(jià)值. 

【文章來源】：氣體物理. 2019,4(04)

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

天宮的雙艙結(jié)構(gòu)在海拔62km處GKUA(c)

含分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的UGKS方法［25-26］，對氮?dú)饧げńY(jié)構(gòu)、氮?dú)飧叱曀兮g頭體繞流，Apollo返回艙再入大氣層等算例進(jìn)行了成功的模擬．在此基礎(chǔ)上西北工業(yè)大學(xué)張賀［27］，Wang等［28］進(jìn)一步考慮了具有離散能級的分子振動(dòng)自由度，構(gòu)造了包含分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)自由度的碰撞模型，并將其引入U(xiǎn)GKS方法．由于對分子振動(dòng)能激發(fā)描述準(zhǔn)確，該方法對真實(shí)氣體的高溫非平衡流動(dòng)進(jìn)行了成功的模擬(圖2為文獻(xiàn)［27］中對返回艙溫度場的模擬)．圖2Apollo返回艙再入大氣層的UGKS模擬(溫度云圖)［27］Fig．2UGKSsimulationofApollore-entrycapsule(temperaturecontours)［27］在湍流模擬方面，清華大學(xué)Li等利用UGKS優(yōu)秀的多尺度性質(zhì)，以直接數(shù)值模擬的方式，探索了流動(dòng)非平衡性對湍流的影響［29］．研究發(fā)現(xiàn)相對于UGKS直接數(shù)值模擬方法，粗粒度的N-S直接數(shù)值模擬方法不僅在湍動(dòng)能耗散曲線上與UGKS有所出入，而且各時(shí)刻流場能譜曲線也存在著較大差別，并指出這主要是由N-S方程不能準(zhǔn)確捕捉非平衡效應(yīng)所致．在多物理流動(dòng)模擬方面，華中科技大學(xué)Chen等將運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用到UGKS中［30-31］，對Crookes輻射計(jì)(見圖3)、高超聲速橢圓繞流、稀薄環(huán)境噴流運(yùn)動(dòng)(見圖4)等進(jìn)行了模擬，展示了UGKS強(qiáng)大的跨流域多尺度計(jì)算能力．香港科技大學(xué)Wang等［32］、北京大學(xué)Xiao等［33］將BGK型的氣體混合模型引入到UGKS中，將UGKS拓展到多組分非平衡流動(dòng)模擬，并對多組分激波結(jié)構(gòu)、微槽道流等成功進(jìn)行了計(jì)算．香港科技大學(xué)Liu

氣體物理2019年第4卷氣體-顆粒多相系統(tǒng)模擬方法，對氣體中裹挾固體小顆粒的流動(dòng)問題如風(fēng)沙激波管、顆粒射流交叉/壁面反射(見圖5)、激波掃過顆粒床等進(jìn)行了較好模擬．Xiao等提出有勢力作用下滿足平衡特性的UGKS方法［35-36］，用UGKS對重力作用下流動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)模擬．此外，UGKS的統(tǒng)一建模思想還拓展應(yīng)用到了各類輸運(yùn)問題和各類動(dòng)力學(xué)方程中，構(gòu)造出了多種物理問題的多尺度數(shù)值計(jì)算格式，例如光子輻射輸運(yùn)［37-40］、等離子體［41-43］等．圖3Crookes輻射計(jì)的動(dòng)網(wǎng)格UGKS模擬(溫度云圖)［30］Fig．3UGKSsimulationofCrookesradiometerwithmovingmesh(temperaturecontours)［30］圖4稀薄環(huán)境噴管流動(dòng)問題的動(dòng)網(wǎng)格UGKS模擬(流線和壓強(qiáng)云圖)［31］Fig．4UGKSsimulationofnozzleflowinrarefiedenvironmentwithmovingmeshes(streamlinesandpressurecontours)［31］圖5顆粒射流交叉/壁面反射的UGKS模擬［34］Fig．5IntersectionandwallreflectionofparticleflowpredictedbyUGKS［34］與傳統(tǒng)CFD方法相比，UGKS方法使用了額外的離散速度空間，因而相應(yīng)的加速收斂技術(shù)尤為重要．在隱格式構(gòu)造方面，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心毛枚良研究員等發(fā)展了UGKS的隱式計(jì)算方法［44］，對隱式模型方程中平衡態(tài)采用顯式近似處理，實(shí)現(xiàn)簡單，在大Kn數(shù)流動(dòng)模擬中取得了很好的加速效果．更進(jìn)一步，香港科技大學(xué)Zhu等提出宏觀量預(yù)估的思路［45-46］，利用UGKS提供的宏觀量殘差代入宏觀隱式控制方程中求解得到預(yù)估的宏觀量，從而獲得預(yù)估的平衡態(tài)代入

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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本文編號：3045030