冲击波的流体动力学与热力学非平衡特性：基于离散布尔格方法的洞见
流体动力学
2025-02-11 v1 计算物理
摘要
冲击波是自然界和工程中典型的非平衡现象，由流体动力学非平衡（HNE）和热力学非平衡（TNE）效应驱动。然而，这些非平衡效应的作用机制尚未完全理解。本研究通过直接离散化速度空间，发展了离散布尔格方法（DBM），以充分捕捉高阶HNE和TNE效应。为揭示这些机制，本文利用CE分析推导了分布函数和TNE量项的解析解，尽管DBM仿真不依赖这些理论推导。在以氩气冲击结构为案例研究时，DBM在宏观层面的界面轮廓和厚度与实验数据和直接模拟蒙特卡罗（DSMC）结果一致良好。 在mesoscopic层面，DBM得到的分布函数和TNE度量与其对应的解析解高度吻合。通过分析密度、温度和速度界面形状与厚度，考察马赫数对HNE的影响。关键发现包括：（i）马赫数对宏观量产生两个阶段效应，既影响界面光滑度，也影响厚度；（ii）随着马赫数的增加，强压缩区从流出区域逐渐转移到流入区域。就TNE特性而言，马赫数的增加显著放大了TNE强度，并扩大了非平衡区域。该研究提供了关于非平衡特性在冲击波中多尺度性质和效应的动力学见解，为构建描述不同类型和阶次非平衡效应的动力学模型提供了理论参考。
引用
@article{arxiv.2502.06326,
title = {Hydrodynamic and thermodynamic non-equilibrium characteristics of shock waves: Insights from the discrete Boltzmann method},
author = {Dejia Zhang and Yanbiao Gan and Bin Yang and Yiming Shan and Aiguo Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2502.06326},
year = {2025}
}