统一气体动理学波-粒子方法 I：连续与稀薄气体流动
数值分析
2018-11-20 v1
摘要
统一气体动理学格式（UGKS）提供了一种模拟多尺度输运的框架，在网格尺度和时间步尺度上同时更新气体分布函数和宏观流动变量。UGKS中的多尺度动力学是通过在一个时间步内的粒子演化过程中耦合粒子输运与碰撞实现的。本文在UGKS框架下，提出一种高效的多尺度统一气体动理学波-粒子（UGKWP）方法。UGKWP方法中的气体动力学由单个粒子运动与概率密度函数（PDF）演化的耦合来描述。在一个时间步内，跟踪模拟粒子的轨迹直至发生碰撞，碰撞后的粒子通过相应分布函数的演化集体演化。模拟粒子与分布函数的演化由宏观变量的演化引导。对气体粒子的两种描述，即波与粒子，随时间动态切换。引入了多尺度多效率保持（MMP）方法的新概念，并证明UGKWP方法是一种MMP格式。与波动型离散坐标方法相比，UGKWP方法对所有流域的高超声速流动模拟尤其高效，并且与基于粒子的蒙特卡洛方法相比，在连续流区呈现出更低的随机噪声。给出了涵盖广泛马赫数与克努森数流动的数值测试。例子主要包括马赫数和、克努森数和下绕过圆柱体的高超声速流动、低速顶盖驱动空腔流以及层流边界层。这些结果验证了UGKWP方法的准确性、高效性和多尺度特性。
引用
@article{arxiv.1811.07141,
title = {Unified Gas-kinetic Wave-Particle methods I: Continuum and Rarefied Gas Flow},
author = {Chang Liu and Yajun Zhu and Kun Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:1811.07141},
year = {2018}
}