高阶紧凑格式与二阶气动动力学方案在可压流模拟中的性能评估
数值分析
2025-08-28 v1 数值分析
流体动力学
摘要
在模拟复杂流动过程中，精度、鲁棒性和计算成本之间的权衡仍是关键挑战。二阶格式计算高效，但缺乏解决复杂流动结构（尤其是湍流）所需的精度。高阶格式，特别是紧凑高阶格式，能够在相对适中的计算成本下提供更高的精度和分辨率。为阐明高阶格式在尺度分辨模拟中的实际性能，本研究评估了两种代表性气动动力学方案：新近开发的五阶紧凑气动动力学方案 (CGKS-5th) 和传统的二阶气动动力学方案 (GKS-2nd)。使用的测试案例涵盖从亚声速到超声速的流动，用于定量评估其精度和效率。结果表明，CGKS-5th 在计算成本约低一个数量级的情况下，实现了与 GKS-2nd 相当的分辨率。就相同的计算资源而言，CGKS-5th 能显著提高精度和分辨率，尤其是在涉及冲击波和小尺度涡旋的湍流流动中。该研究首次明确验证了紧凑高阶气动动力学方案在模拟带有断裂的粘性流动中的优势。此外，实现了基于 CUDA 和 MPI 的多 GPU 并行，以支持大规模应用。
引用
@article{arxiv.2508.19911,
title = {Performance evaluation of high-order compact and second-order gas-kinetic schemes in compressible flow simulations},
author = {Yaqing Yang and Fengxiang Zhao and Kun Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.19911},
year = {2025}
}
备注
arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2508.08965