三维高速可压缩流中的热力学非平衡效应：基于离散玻尔兹曼方法的多尺度建模与模拟

三维（3D）高速可压缩流是一种典型的非线性、非平衡和多尺度复杂流动。基于准连续介质假设和近平衡近似的传统流体力学模型，随着克努森数的增加，不足以捕捉显著的离散效应和热力学非平衡效应（TNEs）。为了克服这些局限性，我们发展了一种根植于动理学和平均场理论的离散玻尔兹曼建模与模拟方法。通过应用Chapman-Enskog多尺度分析，确定了表征二阶TNEs的基本动理学矩关系 $\bm{\Phi}$。这些关系在粗粒化物理建模中是不变量，为分析TNE行为提供了独特的介观视角。我们开发了一个精确到克努森数二阶的离散玻尔兹曼模型，以实现三维超音速流的多尺度模拟。作为关键的TNE度量，我们为三维情况理论推导了非线性本构关系（NCRs），为改进宏观流体建模提供了本构基础。三维情况下的NCRs比二维情况表现出更大的复杂性。这种复杂性源于自由度的增加，这引入了额外种类的非平衡驱动力、这些力之间更强的耦合以及非平衡分量的显著增加。在宏观层面，该模型通过从一维到三维场景、从亚音速到超音速区域的几个经典测试案例进行了验证。在介观层面，该模型准确地捕捉了跨不同尺度和阶数的介观结构周围的典型TNEs，如粘性应力和热通量。这项工作提供了动理学见解，推动了三维高速可压缩流多尺度模拟技术的发展。