硬球-拟颗粒模拟高超声速稀薄气体流动
发布时间：2022-02-23 22:00
发展了适应高超声速稀薄流动的硬球-拟颗粒模拟（HS-PPM）,并分别采用硬球分子动力学模拟（HS）、HS-PPM和直接模拟蒙特卡洛（DSMC）对马赫数为5、努森数为0.8的圆球绕流进行模拟,证明了HS-PPM可以得到更接近HS的模拟结果。对雷诺数100、马赫数5～19的三维圆球绕流,采用HS-PPM模拟得到了填充率0.01～0.08、完全热边界和完全滑移边界条件下的曳力系数,与HS模拟结果的一致性较好;模拟了马赫数24、努森数0.11～4.55的零攻角三维尖锥绕流,结果与文献中DSMC的模拟结果相符。研究验证了HS-PPM处理高超声速稀薄气体流动的可行性。
【文章来源】：过程工程学报. 2019,19(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
DSMC和HS-PPM的模拟参数对曳力系数的影响
选取流场网格0.001 m、球面网格数4800、时间步长1.0×10-6 s的算例作为DSMC的代表算例，选择时间步长为6.8×10-10 s的算例作为HS-PPM的代表算例，将二者与HS的时均流场模拟结果进行对比。选择圆球沿流动方向的对称轴作为流场的中心轴线，流场沿中心轴线的密度、温度分布分别如图2和3所示。可以看出，三者无穷来流的性质一致，且均在球前出现了明显的密度和温度突跃，但头部激波附近的性质出现差别，HS-PPM模拟的头部激波密度略高于DSMC，头部激波温度略低于DSMC，但均比DSMC更接近HS的模拟结果。球后温度计算结果出现明显差异，DSMC得到的球后流场存在温度梯度，在距球面约0.5个平均自由程距离才发展至与HS和HS-PPM模拟相当的温度。从流场分布可以明显看出HS-PPM与HS模拟结果一致。图3 HS,HS-PPM和DSMC模拟的轴线方向的温度分布
图2 HS,HS-PPM和DSMC模拟的轴线方向的分子数密度上述所有算例均依托Mole-8.5E完成计算。HS算例采用单个CPU核心完成计算，收敛时间约为10 h;HS-PPM代表算例采用8个CPU核心完成计算，收敛时间约为12 h;DSMC代表算例采用4个CPU核心完成计算，收敛时间约为10 min。由于DSMC模拟的时间步长很大，流场稳定非常快，收敛速度明显优于HS和HS-PPM。但由于算例中的流动是定常的，收敛速度并不影响结果的精度，HS-PPM由于计算结果准确度更高而具有一定的研究价值和应用潜力。
【参考文献】：
博士论文
[1]硬球—拟颗粒—软球耦合模拟及其化工应用[D]. 张成龙.中国科学院研究生院(过程工程研究所) 2016
本文编号：3641402
【文章来源】：过程工程学报. 2019,19(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
DSMC和HS-PPM的模拟参数对曳力系数的影响
选取流场网格0.001 m、球面网格数4800、时间步长1.0×10-6 s的算例作为DSMC的代表算例，选择时间步长为6.8×10-10 s的算例作为HS-PPM的代表算例，将二者与HS的时均流场模拟结果进行对比。选择圆球沿流动方向的对称轴作为流场的中心轴线，流场沿中心轴线的密度、温度分布分别如图2和3所示。可以看出，三者无穷来流的性质一致，且均在球前出现了明显的密度和温度突跃，但头部激波附近的性质出现差别，HS-PPM模拟的头部激波密度略高于DSMC，头部激波温度略低于DSMC，但均比DSMC更接近HS的模拟结果。球后温度计算结果出现明显差异，DSMC得到的球后流场存在温度梯度，在距球面约0.5个平均自由程距离才发展至与HS和HS-PPM模拟相当的温度。从流场分布可以明显看出HS-PPM与HS模拟结果一致。图3 HS,HS-PPM和DSMC模拟的轴线方向的温度分布
图2 HS,HS-PPM和DSMC模拟的轴线方向的分子数密度上述所有算例均依托Mole-8.5E完成计算。HS算例采用单个CPU核心完成计算，收敛时间约为10 h;HS-PPM代表算例采用8个CPU核心完成计算，收敛时间约为12 h;DSMC代表算例采用4个CPU核心完成计算，收敛时间约为10 min。由于DSMC模拟的时间步长很大，流场稳定非常快，收敛速度明显优于HS和HS-PPM。但由于算例中的流动是定常的，收敛速度并不影响结果的精度，HS-PPM由于计算结果准确度更高而具有一定的研究价值和应用潜力。
【参考文献】：
博士论文
[1]硬球—拟颗粒—软球耦合模拟及其化工应用[D]. 张成龙.中国科学院研究生院(过程工程研究所) 2016
本文编号：3641402
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3641402.html
