具有多尺度传输与化学非平衡反应流的统一气动动力学格式

稀疏气体混合物的反应流涉及由粒子碰撞与自由飞行构成的多尺度传输，以及包含多物种相互作用与化学非平衡的非平衡物理。这些流体在航空航天工程和半导体制造中至关重要，影响近空间飞行中的 spacecraft 控制与热防护，以及芯片加工中的等离子体刻蚀。因此，模拟这类多尺度和非平衡流动具有重要的科学与工业意义。遵循直接建模方法，我们构建统一气动动力学格式（UGKS）以描述所有流动 regimes 下气分子的多尺度传输。本研究将 UGKS 拓展至含化学非平衡的反应流，以捕捉更复杂的流动物理。测试案例包括冲击波结构、二维圆柱体的高超声速流动、三维再入飞行器与空间车、以及喷嘴等离子体向真空的喷流。通过与直接蒙特卡洛方法比较，验证了 UGKS 的有效性。研究表明，直接建模方法与扩展 UGKS 在模拟具有复杂非平衡物理的多尺度流动方面具有巨大的潜力。