直接模擬Monte Carlo方法(簡稱DSMC)是由Bird發(fā)展的用于求解稀薄氣體動(dòng)力學(xué)問題的一種新方法。本文在Bird研究的基礎(chǔ)上開展了三維直角坐標(biāo)網(wǎng)格DSMC方法的研究,考慮熱化學(xué)非平衡效應(yīng),發(fā)展了一套可用于求解高超稀薄流動(dòng)的DSMC數(shù)值模擬程序。首先,闡述了DSMC方法的研究背景以及發(fā)展現(xiàn)狀。梳理了稀薄氣體流動(dòng)所涉及的分子氣體動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)。其次,運(yùn)用了網(wǎng)格加密技術(shù)和網(wǎng)格切割技術(shù)進(jìn)行直角坐標(biāo)網(wǎng)格的生成,保證了計(jì)算的精度以及網(wǎng)格單元的貼體性。發(fā)展了一種全新的相鄰單元搜索算法來追蹤分子在網(wǎng)格間的遷移,該算法結(jié)合了射線法和二進(jìn)制判別法,具有較強(qiáng)的通用性。運(yùn)用FORTRAN90語言并結(jié)合相關(guān)模型及算法編制了DSMC程序,并通過相關(guān)算例進(jìn)行了驗(yàn)證。然后,闡述了碰撞化學(xué)反應(yīng)理論以及平衡碰撞原理。討論了空氣五組元化學(xué)反應(yīng)模型。結(jié)合能量交換模型以及化學(xué)反應(yīng)模型編寫了化學(xué)反應(yīng)模塊,并通過相關(guān)算例進(jìn)行了驗(yàn)證。最后,研究了DSMC方法的并行技術(shù)。結(jié)合動(dòng)態(tài)分區(qū)策略以及MPI消息傳遞庫編寫了DSMC方法的并行程序,并通過相關(guān)算例對并行計(jì)算效率進(jìn)行了驗(yàn)證。本文發(fā)展的DSMC方法計(jì)算程序可...

【文章頁數(shù)】：91 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
abstract
注釋表
縮略詞
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 稀薄氣體動(dòng)力學(xué)求解方法簡述
        1.2.1 理論分析方法
        1.2.2 數(shù)值計(jì)算方法
    1.3 DSMC方法的研究及發(fā)展
    1.4 本文的主要工作
第二章 稀薄氣體流動(dòng)的基本理論
    2.1 引言
    2.2 速度分布函數(shù)
    2.3 宏觀量的表達(dá)
        2.3.1 單組分氣體宏觀量的表達(dá)
        2.3.2 混合氣體宏觀量的表達(dá)
    2.4 分子能量理論
        2.4.1 分子能量模式
        2.4.2 能級與能態(tài)分布
        2.4.3 分子的內(nèi)能，自由度以及內(nèi)能分布函數(shù)
    2.5 雙體彈性碰撞與碰撞模型
        2.5.1 雙體碰撞
        2.5.2 分子間作用勢及分子碰撞模型
    2.6 本章小結(jié)
第三章 直角坐標(biāo)網(wǎng)格DSMC方法的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用
    3.1 引言
    3.2 直角坐標(biāo)計(jì)算網(wǎng)格的生成
        3.2.1 初始網(wǎng)格單元的劃分
        3.2.2 網(wǎng)格加密方法
        3.2.3 物面單元切割方法
        3.2.4 直角坐標(biāo)網(wǎng)格生成的大致流程
    3.3 DSMC方法的關(guān)鍵技術(shù)
        3.3.1 分子搜索技術(shù)
        3.3.2 當(dāng)?shù)啬M分子數(shù)技術(shù)
    3.4 DSMC方法的相關(guān)模型
        3.4.1 分子碰撞模型
        3.4.2 反射模型
        3.4.3 分子碰撞過程中能量的交換
        3.4.4 分子碰撞對的選取
    3.5 DSMC方法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計(jì)算流程
        3.5.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
        3.5.2 算法流程圖
    3.6 數(shù)值算例
        3.6.1 圓球繞流
        3.6.2 阿波羅返回艙繞流
    3.7 本章小結(jié)
第四章 熱化學(xué)非平衡DSMC方法的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用
    4.1 引言
    4.2 分子碰撞化學(xué)反應(yīng)理論
        4.2.1 雙體碰撞化學(xué)反應(yīng)理論
        4.2.2 三體碰撞化學(xué)反應(yīng)理論
        4.2.3 平衡碰撞原理
    4.3 空氣五組元化學(xué)反應(yīng)模型及其在DSMC方法中的實(shí)現(xiàn)
        4.3.1 離解反應(yīng)
        4.3.2 復(fù)合反應(yīng)
        4.3.3 置換反應(yīng)
    4.4 氣體熱化學(xué)非平衡流動(dòng)的DSMC過程
    4.5 數(shù)值算例
        4.5.1 熱化學(xué)非平衡圓球繞流
        4.5.2 熱化學(xué)非平衡阿波羅返回艙繞流
    4.6 本章小結(jié)
第五章 DSMC方法并行技術(shù)的研究
    5.1 引言
    5.2 并行計(jì)算的基本術(shù)語及軟硬件環(huán)境介紹
        5.2.1 并行計(jì)算的基本術(shù)語
        5.2.2 并行計(jì)算的軟硬件環(huán)境
        5.2.3 DSMC并行計(jì)算的基本思想
    5.3 DSMC并行算法動(dòng)態(tài)分區(qū)策略
    5.4 DSMC并行計(jì)算的通訊策略
        5.4.1 通訊原理
        5.4.2 通訊方法
    5.5 DSMC并行算法流程
    5.6 數(shù)值算例
        5.6.1 圓球繞流串行并行結(jié)果比較
    5.7 本章小結(jié)
第六章 全文總結(jié)和展望
    6.1 工作總結(jié)
    6.2 工作展望
參考文獻(xiàn)
致謝
在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文



本文編號：3776082