用于二元气体流动的二阶粒子 Fokker-Planck-Master 方法
计算物理
2025-08-11 v1 流体动力学
摘要
直接蒙特卡罗 (DSMC) 方法用于描述稀有气体流动。DSMC 方法考虑计算粒子的传输和碰撞,在连续态中导致更高的计算成本。Fokker-Planck (FP) 模型通过将粒子碰撞近似为布朗运动来降低计算成本。已开发出高级 FP 模型以提高物理保真度,确保正确的 Prandtl 数和 H 定理。FP 模型已进一步扩展用于处理二元气体,例如 Fokker-Planck-Master (FPM) 模型。除了这些建模方面的发展之外,通过实现时空的二阶精度还提高了计算效率,这在统一随机粒子 FP (USP-FP) 方法中已得到证明。然而,这些精度改进尚未扩展到二元气体，这些气体对于大气再入等工程应用至关重要。本研究提出了一种用于二元气体的统一随机粒子 Fokker-Planck-Master (USP-FPM) 方法,实现了时间和空间的二阶精度。通过再现二阶能量、粘性应力和热通量松弛来提高时间精度。通过采用一阶多项式重构方法来提高空间精度。研究了三个测试案例:均匀松弛、普朗特流和圆柱体的高超声速流动。结果表明,USP-FPM 方法即使在较粗糙的单元大小和较大的时间步长下,相较于 DSMC 和 FPM 方法,也能提供准确的解。特别是对于圆柱体的高超声速流动,USP-FPM 方法相较于 DSMC 方法实现了 28 倍的加速,同时保持了准确性。
引用
@article{arxiv.2508.05642,
title = {A second-order particle Fokker-Planck-Master method for diatomic gas flows},
author = {Joonbeom Kim and Eunji Jun},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.05642},
year = {2025}
}