含振动能激发Boltzmann模型方程气体动理论统一算法验证与分析

发布时间：2018-08-26 12:13

【摘要】：为模拟研究高温高马赫数下多原子气体内能激发对跨流域非平衡流动的影响,将转动能、振动能分别作为气体分子速度分布函数的自变量,把转动能和振动能处理为连续分布的能量模式,将Boltzmann方程的碰撞项分解成弹性碰撞项和非弹性碰撞项,同时将非弹性碰撞按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛过程和平动-转动-振动能松弛过程,构造了一类考虑振动能激发的Boltzmann模型方程,并证明了其守恒性和H定理.基于内部能量变量对分布函数无穷积分,引入三个约化速度分布函数,得到一组考虑振动能激发的约化速度分布函数控制方程组,使用离散速度坐标法,基于LU-SGS隐式格式和有限体积法求解离散速度分布函数,建立含振动能激发的气体动理论统一算法.通过开展高稀薄流到连续流圆柱绕流问题统一算法与直接模拟蒙特卡罗法模拟结果对比分析,特别是过渡流区平动、转动、振动非平衡效应对绕流流场与物面力热特性的影响机制,证实了所建立的含振动能激发的Boltzmann模型方程及气体动理论统一算法的准确可靠性.
[Abstract]:In order to simulate the effect of excitation of internal energy of polyatomic gases at high temperature and high Mach number on the non-equilibrium flow across a river basin, the rotational energy and vibrational energy are regarded as independent variables of the velocity distribution function of gas molecules, respectively. The rotational energy and vibrational energy are treated as a continuous energy model, and the collision term of Boltzmann equation is decomposed into elastic collision term and non-elastic collision term. Elastic collision term is decomposed into translational-rotational energy relaxation process and translational-rotational-vibrational energy relaxation process according to a certain relaxation rate. A class of Boltzmann model equations considering vibrational energy excitation are constructed and their conservation and H theorem are proved. A set of governing equations of reduced velocity distribution function considering excitation of vibration energy is obtained. The discrete velocity coordinate method is used to solve the discrete velocity distribution function based on LU-SGS implicit scheme and finite volume method. A unified algorithm of aerodynamic theory with excitation of vibration energy is established. Comparing and analyzing the results of the unified method and the direct simulation Monte Carlo method, especially the mechanism of the non-equilibrium effects of translation, rotation and vibration on the flow field around the flow field and the mechanical and thermal characteristics of the object surface, the accuracy and reliability of the Boltzmann model equation with vibration energy excitation and the unified algorithm of gas dynamics theory are verified.
【作者单位】： 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所;中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室;国家计算流体力学实验室;
【基金】：国家重点基础研究发展计划(批准号:2014CB744100) 国家自然科学基金(批准号:11325212,91016027)资助的课题~~
【分类号】：O354

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本文编号：2204836