热化学非平衡气体混合物的 Petrov-Galerkin 模型降阶
计算物理
2025-04-14 v2 化学物理
摘要
态特异性热化学碰撞模型对于准确描述涉及非平衡等离子体的系统物理至关重要，但其计算代价高昂，不适用于大规模多维模拟。历史上，计算成本通过使用经验论证和物理论证来降低控制方程的复杂度来缓解。然而，由此产生的模型往往不准确，无法捕捉原始物理的重要特征。此外，这些模型的构建通常不切实际，需要大量的用户监督和耗时的参数调优。在本文中，我们通过一个易于实现且计算高效的基于非线性动力学方程 Petrov-Galerkin 投影的模型降阶流程来解决这些问题。我们的方法基于以下观察得到验证：处于热力学非平衡的动力学系统倾向于表现出低秩动力学，迅速将状态驱动到低维子空间。此外，尽管控制方程具有非线性性质，我们观察到这些系统的动力学在热化学平衡附近的线性化方程所确定的子空间上演化，这显著降低了模型构建的成本。该方法在 O₂-O 系统的转动振动碰撞模型以及 O₂-O 和 O₂-O₂ 联合系统的振动碰撞模型上得到了验证。我们的方法实现了高精度，宏观量（即矩）的相对误差小于 1%，微观量（即能级布居）的相对误差小于 10%，同时还提供了优异的压缩率和加速比，优于现有的最先进方法。
引用
@article{arxiv.2411.01673,
title = {Petrov-Galerkin model reduction for thermochemical nonequilibrium gas mixtures},
author = {Ivan Zanardi and Alberto Padovan and Daniel J. Bodony and Marco Panesi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.01673},
year = {2025}
}