气体化学反应流动的DSMCEPSM混合算法研究.pdf

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1、第2O卷第5期计算力学学报Vol.2ONo.52OO3年1O月ChineseJournalofComputationalMechanics0ctober2OO3==================================================================文章编号:1OO7-47O8(2OO3)O5-O564-O4气体化学反应流动的DSMC!EPSM混合算法研究吴明巧陈伟芳任兵(国防科技大学航天与材料工程学院湖南长沙41OO73)摘要:发展了平衡粒子模拟方法(EPSM)

2、建立了与高温气体化学反应动力学理论相匹配的EPSM耦合模型并通过混合参数进行流区的自动识别将EPSM方法与蒙特卡罗直接模拟方法(DSMC)结合构造了可模拟化学反应流动的DSMC/EPSM混合算法O应用该算法对汲及化学反应的二维高超音速竖板绕流流场进行模拟将结果与DSMC方法的结果进行比较验证了新算法对求解化学反应流动的可行性O将混合算法的计算效率与DSMC方法的计算效率进行比较发现混合算法能够大大提高计算效率O关键词:DSMC/EPSM混合算法;竖板;稀薄气体流动;化学反应中图分类号:V211.3文献标识

3、码:A的DSMC/EPSM混合算法O1引言2DSMC!EPSM混合算法在钝体再入大气的过程中飞行器的迎风面气体密度较高采用Navier-Stokes方程的数值方2.1DSMC方法法而背风面气体密度很低采用蒙特卡罗方法Bird在文献[5]中详细地介绍了DSMC方法(DSMC)方法O由于DSMC与连续介质区域数值它的基本做法可表述为:用有限个模拟分子代替大方法组成的混合算法有很多明显的缺陷[1]:一是不量的真实气体分子通过随机抽样模拟分子并跟踪同方法的交界面处理十分麻烦二是DSMC方法模拟分子的运动轨迹来达到

4、求解真实气体流动问解的统计涨落对连续性方法的解存在不利影响O因题ODSMC方法的主要特点在于将模拟分子的迁此希望构造一种在整个流场区域中统一的粒子模移运动与碰撞作用解耦处理O在每个时间步长内拟方法O由于在高密度区使用DSMC大量的机时首先认为每个模拟分子作匀速直线运动得到新的花费在碰撞计算上O因此Bird[2]提出每一网格每位置坐标如果模拟分子与边界发生相互作用则进一时间步长内将每一粒子的碰撞次数限制在1O行相应处理;然后计算模拟分子之间的碰撞O次O这种观点的依据在于每个粒子碰撞十次后网DSMC方法采用几

5、率论而不是决定论的方法计算格中的状态已达到平衡更多的碰撞计算不能提高模拟分子间的碰撞因而能够大大减少计算时间O模拟的精度O然而即使这种限制碰撞次数的方法也2.2EPSM方法[3]提出了平衡粒子模拟方法(EPSM)会耗费大量的机时O针对DSMC方法的缺陷Pullin[3]提出了平衡粒子模拟方法(EPSM作为高密度区的直接模拟方法O它是DSMC方法Pullin中分子碰撞频率达到无穷时的一种极限方法O其具EguilibriumParticleSimulationMethod)进行高密度理想气体流动的直接模拟认为

6、网格中模拟粒体做法是:在模拟粒子的理论平均碰撞次数大于十子碰撞后状态满足局部平衡态分布从而大大简化次以上的网格中在保证质量守恒~动量守恒以及了高密度区模拟粒子间的碰撞计算节约大量计算能量守恒的前提下无需任何碰撞计算直接给出模拟粒子的速度分布与能量分布OMacrossan[4]将机时O本文在此基础上进一步发展了EPSM方法建立与高温气体化学反应动力学理论相匹配的EPSM方法作了如下两方面的扩展:1.将转动能作某种处理以适应已有的DSMC方法;2.考虑多组EPSM耦合模型通过引入划分不同流动区域的分粒子的情况

7、O混合参数'技术构造了可模拟含热力学非平衡及化学反应流动本文发展了EPSM方法建立了与高温气体收稿日期:2OO2-O2-28;修改稿收到日期:2OO2-O4-22.化学反应动力学理论相匹配的EPSM耦合模型基金项目:国家自然科学基金(199O2O21)资助项目.作者简介:吴明巧(1977-)女博士生.其基本思想是:分子移动之后将网格视为一封闭第5期吴明巧9等:气体化学反应流动的DSMC/EPSM混合算法研究565体系9首先确定出网格中模拟粒子所代表的各组分的位置坐标(与DSMC方法相同);Z.进行模拟分真

8、实分子的浓度值及网格中的总热能G网格中的总子与计算边界的处理(与DSMC方法相同);3.根热能包括三个方面的能量:a.蕴藏在分子平动自由据模拟分子新的空间位置坐标调整模拟分子所在度中的热能;b.双原子分子的转动能;c.双原子分的网格编号9并对模拟分子进行排序(与DSMC方子激发的振动能G然后9根据化学反应速率方程9给法相同);4.计算网格中分子的平均碰撞频率z值出每一组元的浓度变化率及各化学反应反应热的的大小9当z10时9选用