一种用于多尺度光子输运的统一气体动理学粒子方法

本文提出了一种用于模拟多尺度光子输运的统一气体动理学粒子(UGKP)方法。该粒子方法的多尺度特性主要源于通过粒子输运与碰撞的耦合动态过程恢复统一气体动理学格式(UGKS)中的时间演化通量函数。这一做法改进了蒙特卡洛方法中原有的算子分裂方法，例如对粒子输运与碰撞的分离处理。因此，随着数值时间步长与局域光子碰撞时间之比的变化，不同的输运物理可以在单次计算中充分捕捉。在扩散极限下，UGKP方法可在网格尺寸和时间步长远大于光子平均自由程和平均碰撞时间时恢复扩散方程的解。在自由输运极限下，它呈现出与原始蒙特卡洛方法一致的精确粒子追踪过程。在过渡区，粒子自由输运与碰撞的权重由局域数值时间步长与光子碰撞时间之比决定。我们计算了涵盖从光学薄到光学厚所有输运机制的几个一维数值算例，以验证当前格式的精度与效率。与$S_N$离散坐标法相比，UGKP方法基于粒子并避免了对粒子速度空间的离散化，因此不受射线效应的影响。