稀薄流热化学非平衡直角坐标网格DSMC方法研究
发布时间：2023-04-01 00:21
直接模拟Monte Carlo方法(简称DSMC)是由Bird发展的用于求解稀薄气体动力学问题的一种新方法。本文在Bird研究的基础上开展了三维直角坐标网格DSMC方法的研究,考虑热化学非平衡效应,发展了一套可用于求解高超稀薄流动的DSMC数值模拟程序。首先,阐述了DSMC方法的研究背景以及发展现状。梳理了稀薄气体流动所涉及的分子气体动力学、统计热力学等相关理论知识。其次,运用了网格加密技术和网格切割技术进行直角坐标网格的生成,保证了计算的精度以及网格单元的贴体性。发展了一种全新的相邻单元搜索算法来追踪分子在网格间的迁移,该算法结合了射线法和二进制判别法,具有较强的通用性。运用FORTRAN90语言并结合相关模型及算法编制了DSMC程序,并通过相关算例进行了验证。然后,阐述了碰撞化学反应理论以及平衡碰撞原理。讨论了空气五组元化学反应模型。结合能量交换模型以及化学反应模型编写了化学反应模块,并通过相关算例进行了验证。最后,研究了DSMC方法的并行技术。结合动态分区策略以及MPI消息传递库编写了DSMC方法的并行程序,并通过相关算例对并行计算效率进行了验证。本文发展的DSMC方法计算程序可...
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 稀薄气体动力学求解方法简述
1.2.1 理论分析方法
1.2.2 数值计算方法
1.3 DSMC方法的研究及发展
1.4 本文的主要工作
第二章 稀薄气体流动的基本理论
2.1 引言
2.2 速度分布函数
2.3 宏观量的表达
2.3.1 单组分气体宏观量的表达
2.3.2 混合气体宏观量的表达
2.4 分子能量理论
2.4.1 分子能量模式
2.4.2 能级与能态分布
2.4.3 分子的内能，自由度以及内能分布函数
2.5 双体弹性碰撞与碰撞模型
2.5.1 双体碰撞
2.5.2 分子间作用势及分子碰撞模型
2.6 本章小结
第三章 直角坐标网格DSMC方法的实现及应用
3.1 引言
3.2 直角坐标计算网格的生成
3.2.1 初始网格单元的划分
3.2.2 网格加密方法
3.2.3 物面单元切割方法
3.2.4 直角坐标网格生成的大致流程
3.3 DSMC方法的关键技术
3.3.1 分子搜索技术
3.3.2 当地模拟分子数技术
3.4 DSMC方法的相关模型
3.4.1 分子碰撞模型
3.4.2 反射模型
3.4.3 分子碰撞过程中能量的交换
3.4.4 分子碰撞对的选取
3.5 DSMC方法的数据结构与计算流程
3.5.1 数据结构
3.5.2 算法流程图
3.6 数值算例
3.6.1 圆球绕流
3.6.2 阿波罗返回舱绕流
3.7 本章小结
第四章 热化学非平衡DSMC方法的实现及应用
4.1 引言
4.2 分子碰撞化学反应理论
4.2.1 双体碰撞化学反应理论
4.2.2 三体碰撞化学反应理论
4.2.3 平衡碰撞原理
4.3 空气五组元化学反应模型及其在DSMC方法中的实现
4.3.1 离解反应
4.3.2 复合反应
4.3.3 置换反应
4.4 气体热化学非平衡流动的DSMC过程
4.5 数值算例
4.5.1 热化学非平衡圆球绕流
4.5.2 热化学非平衡阿波罗返回舱绕流
4.6 本章小结
第五章 DSMC方法并行技术的研究
5.1 引言
5.2 并行计算的基本术语及软硬件环境介绍
5.2.1 并行计算的基本术语
5.2.2 并行计算的软硬件环境
5.2.3 DSMC并行计算的基本思想
5.3 DSMC并行算法动态分区策略
5.4 DSMC并行计算的通讯策略
5.4.1 通讯原理
5.4.2 通讯方法
5.5 DSMC并行算法流程
5.6 数值算例
5.6.1 圆球绕流串行并行结果比较
5.7 本章小结
第六章 全文总结和展望
6.1 工作总结
6.2 工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
本文编号：3776082
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 稀薄气体动力学求解方法简述
1.2.1 理论分析方法
1.2.2 数值计算方法
1.3 DSMC方法的研究及发展
1.4 本文的主要工作
第二章 稀薄气体流动的基本理论
2.1 引言
2.2 速度分布函数
2.3 宏观量的表达
2.3.1 单组分气体宏观量的表达
2.3.2 混合气体宏观量的表达
2.4 分子能量理论
2.4.1 分子能量模式
2.4.2 能级与能态分布
2.4.3 分子的内能，自由度以及内能分布函数
2.5 双体弹性碰撞与碰撞模型
2.5.1 双体碰撞
2.5.2 分子间作用势及分子碰撞模型
2.6 本章小结
第三章 直角坐标网格DSMC方法的实现及应用
3.1 引言
3.2 直角坐标计算网格的生成
3.2.1 初始网格单元的划分
3.2.2 网格加密方法
3.2.3 物面单元切割方法
3.2.4 直角坐标网格生成的大致流程
3.3 DSMC方法的关键技术
3.3.1 分子搜索技术
3.3.2 当地模拟分子数技术
3.4 DSMC方法的相关模型
3.4.1 分子碰撞模型
3.4.2 反射模型
3.4.3 分子碰撞过程中能量的交换
3.4.4 分子碰撞对的选取
3.5 DSMC方法的数据结构与计算流程
3.5.1 数据结构
3.5.2 算法流程图
3.6 数值算例
3.6.1 圆球绕流
3.6.2 阿波罗返回舱绕流
3.7 本章小结
第四章 热化学非平衡DSMC方法的实现及应用
4.1 引言
4.2 分子碰撞化学反应理论
4.2.1 双体碰撞化学反应理论
4.2.2 三体碰撞化学反应理论
4.2.3 平衡碰撞原理
4.3 空气五组元化学反应模型及其在DSMC方法中的实现
4.3.1 离解反应
4.3.2 复合反应
4.3.3 置换反应
4.4 气体热化学非平衡流动的DSMC过程
4.5 数值算例
4.5.1 热化学非平衡圆球绕流
4.5.2 热化学非平衡阿波罗返回舱绕流
4.6 本章小结
第五章 DSMC方法并行技术的研究
5.1 引言
5.2 并行计算的基本术语及软硬件环境介绍
5.2.1 并行计算的基本术语
5.2.2 并行计算的软硬件环境
5.2.3 DSMC并行计算的基本思想
5.3 DSMC并行算法动态分区策略
5.4 DSMC并行计算的通讯策略
5.4.1 通讯原理
5.4.2 通讯方法
5.5 DSMC并行算法流程
5.6 数值算例
5.6.1 圆球绕流串行并行结果比较
5.7 本章小结
第六章 全文总结和展望
6.1 工作总结
6.2 工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
本文编号：3776082
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