Direct Monte Carlo Method Simulation of the Synthesis of Carbon Particle Through Coagulation in the Detonation of Explosives

A model is constructed and used in computing the coagulation probability of free carbon during the detonation of explosives. A direct simulation Monte Carlo (DSMC) program is constructed to simulate the coagulation of free carbon particles. The evaluation of the distribution spectrum of particles in the system is obtained. The simulation result is consistent with the experimental curve.

基于DSMC方法的超低轨道卫星阻力特性分析

为向工程中卫星结构设计提供载荷依据,基于直接模拟蒙特卡洛仿真方法,采用Maxwell漫反射和镜面反射联合模型,对一典型超低轨道卫星的阻力特性进行研究.分析了结构网格密度、卫星头锥、星体长细比等参数对阻力特性的影响,并通过算例与文献结果对比以验证方法的准确性.结果表明,卫星阻力主要由迎风面投影面的压差阻力和卫星侧面的切向摩擦阻力组成.针对268 km典型超低轨道卫星模型,相同迎风面投影面积下,较尖的头锥结构能略微降低平飞阻力.卫星星体的长细比每增加1,阻力提升约5%~8%.全动尾翼通过改变攻角可以获得升力,升阻比为0.10~0.34.

高超声速CO_(2)稀薄气体振动激发与DSMC方法实现

针对火星独特的CO_(2)稀薄气体环境以及探测器高超声速进入火星过程中的高温真实气体效应,研究了CO_(2)多振动模式的激发特性。采用非结构网格和直接模拟蒙特卡洛法(Direct Simulation Monte Carlo method, DSMC),基于非谐振子振动激发模型,通过将CO_(2)离解能均分到4种振动模态,进而限制各模态最高振动能级,模拟了含CO_(2)的5组分17反应的高温稀薄真实气体化学反应模型。计算了“火星探路者”在火星大气环境65 km高度、进入速度为7 453 m/s、攻角为0°下的高温化学非平衡效应流场。结果表明:CO_(2)在激波后大量分解并消耗大量能量;迎风面激波中各组分占比与探测器物面特性等均与文献结果相符,证明了本文对于CO_(2)振动激发处理方法的可行性。在此基础上加入N_2组分,模拟火星大气8组分44基元化学反应流场,通过改变来流密度与马赫数分析了流场特性的变化。结果表明:随着来流密度减小,流场温度呈现先增加后减小的趋势,物面热流密度增大;来流马赫数增加使得流场温度和压力上升,物面热流密度提高但是热流密度系数变化幅度很小。

三维非结构网格DSMC方法的实现及其应用

研究了三维非结构网格DSMC方法实现的过程。将Bird位置元方案中的子网格思想引入到非结构网格上来,只存储子网格的总体标识号,利用较少的计算网格提高了分子的分辨率与计算精度。提出了将体积元坐标搜索算法与交替数字二叉树搜索算法(ADT)相结合的方法来跟踪模拟分子在网格之间的迁移,使用ADT方法判别分子与物面是否作用,避免了分子表面反射的非确定论判据。利用Fortran 90的动态分配内存技术编制了通用计算程序。最后对高超声速过渡流域航天飞机头部外形绕流进行了数值模拟,数值结果初步验证了算法的可行性。

TPMC和DSMC方法在真空技术领域的应用

随着计算机技术的发展 ,蒙特卡罗方法 (MC)成为研究稀薄气体流动问题的重要方法。本文着重介绍了试验粒子蒙特卡罗方法 (TPMC)和直接模拟蒙特卡罗方法 (DSMC)。通过一些实际的算例 (异形管路传输几率计算、涡轮分子泵模拟优化设计 )

两种用于NS-DSMC耦合方法的连续失效参数对比

NS-DSMC(Navier Stokes-Direct Simulation Monte Carlo)耦合方法是计算连续-稀薄跨流域流动的主要方法,应用过程中如何确定连续流域和稀薄流域的界面是此方法的关键问题之一,界面位置通常通过连续失效参数来判定.为合理选择连续失效参数,对目前广泛使用的两种连续失效参数KnQ和B参数进行了理论上的分析和比较,表明虽然他们建立的出发点不同,但在数学形式上具有一定相似性.通过圆柱绕流问题的数值试验进一步验证了两种连续失效参数具有一定对应关系.KnQ和B两种连续失效参数在NS-DSMC耦合方法中应用效果相差不大,但KnQ的阈值0.05适用范围较广,而B参数的阈值对不同流动问题会有变化.

基于VHS分子模型的DSMC方法研究分子蒸馏气相微观特性

为了研究分子蒸馏器内气体的微观特性,基于变径硬球分子模型,采用了直接模拟蒙特卡洛方法,考虑了分子转动能和平动能,建立了描述分子蒸馏气相传递过程的一维和二维模型,计算了不同蒸发温度下的蒸发效率,并将模拟计算值与实验数据对比,验证了模型的合理性.通过模拟分子的运动和碰撞过程,分析了蒸发温度、冷凝温度和蒸发面与冷凝面的间距等参数对气相空间的碰撞频率和分子平均自由程分布的影响.结果表明:碰撞频率和平均自由程分布的变化始终呈相反趋势;在蒸发面附近,碰撞频率和分子平均自由程分别处于各自最大值和最小值;从蒸发面到冷凝面的气相空间,碰撞频率逐渐减小,分子平均自由程逐渐增大;靠近冷凝面时,碰撞频率和分子平均自由程分别达到各自最小值和最大值;随着蒸发温度或冷凝温度的升高,气相空间同一位置处的碰撞频率增大而平均自由程减小;随着蒸发面与冷凝面的间距增加,碰撞频率在同一位置处有所增大,但在冷凝面附近更小;间距增加,同一位置处的分子平均自由程减小,但是冷凝面附近,间距越大时平均自由程也越大.

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对"火星探路者号("Mars Pathfinder)探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。

直接模拟蒙特卡罗法及其在真空泵性能计算中的应用

直接模拟蒙特卡罗(DSM C)法是一种依赖物理的几率模拟方法。本文介绍了直接模拟蒙特卡罗法在真空泵性能计算中的应用。

考虑蒸汽热力行为的凝汽器喉部流动模拟

应用蒸汽凝结核心形成理论,从描述蒸汽凝结核心形成的微观机理的角度出发,分别对自发凝结核心的分布规律和形成率进行了分析,建立了蒸汽分子凝结的概率模型。在此基础上,应用直接模拟蒙特卡罗方法对汽轮机凝汽器喉部内蒸汽的热力行为进行了模拟计算,研究凝汽器喉部内蒸汽湿度对流动阻力和流动均匀性的影响。计算结果表明:考虑蒸汽热动力行为时,可以降低蒸汽的流动阻力,同时也使喉部内蒸汽的流场分布状况有了一定程度的改善。

大型航天器再入解体气动力热特性模拟的直接模拟蒙特卡洛方法研究

为模拟大型航天器离轨再入近连续过渡流区高超声速气动力/热绕流特征,构建了基于直接模拟蒙特卡洛法碰撞限制器技术的混合方法,发展了基于密度梯度的动态自适应混合网格处理技术与变时间步长计算方案。利用当地流动梯度的克努森数作为判断连续流失效的参数,将流场划分为不同区域,在连续流区采用碰撞限制器以及大网格尺度和大时间步长,在流场的大梯度区域——包括激波和壁面边界层区域——采用基于当地密度梯度的动态自适应碰撞网格和取样网格处理技术。为保证整个流场范围每个碰撞网格内的模拟粒子数分布更加均匀,采用变时间步长计算方案,并固定当地时间步长与粒子权重的比值,避免了因分子穿越网格界面产生的复制或消失。通过计算类天宫飞行器低密度风洞试验状态的气动力系数,并与试验数据对比,验证了上述算法的高精度模拟能力与可靠性。同时模拟分析了带太阳电池帆板的类天宫飞行器再入85 km高超声速复杂气动力热,及头部对接台与板舱非规则物形绕流所致激波/边界层干扰、流动分离与强气动力热致太阳电池帆板毁坏发生首次解体机制。

高真空干泵螺旋级抽气性能的数值计算模型

微型化和一体化是干式真空泵发展的重要趋势,高真空干泵是具有代表性的一种新型干泵。本文对高真空干泵的重要部件之一的单螺旋转子进行了数值研究,通过对几何模型重要参数的分析,结合了直接模拟蒙特卡罗的程序思想,对单螺旋转子工作过程进行仿真。模拟得到了单螺旋转子几何参数对抽气效率的影响机制,得到影响高真空干泵性能的参数调节机制,为高真空干泵的设计提供了理论依据和指导。

稀薄气体直接仿真蒙特卡洛方法交互式并行化系统研究与实现

在分析稀薄气体直接仿真蒙特卡洛(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)方法特点的基础上,研究了基于高性能计算平台的DSMC问题交互式并行化技术,提出了DSMC交互式并行化流程和DSMC程序并行化系统体系结构,实现了能对DSMC问题进行处理的交互式并行化软件系统,并应用到两个微通道DSMC方法算例的并行化中,并行化后的两个算例在8个节点的并行集群系统上的计算结果与原串行程序完全吻合,证明了该交互式并行化方法的正确性。

背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。

微推进器射流流场数值模拟研究

微型推进器的工质流动过程中,由于尺度的微型化引起的低雷诺数和大面体比下粘性损失带来的影响比常规尺度更为明显。利用DSMC方法对侧壁有射流的微喷管流场进行了数值模拟研究。通过对不同射流气体及不同射流位置的流场模拟表明:相对于无射流条件,有射流条件下微喷管的推力、比冲和推力系数等性能参数都得到了较大提高。射流口的位置需根据具体喷管尺寸合理设置,以避免扩张段主流体产生斜激波影响推进器性能。

气固相互作用对吸气式电推进系统进气道性能的影响

针对上层大气层吸气式电推进系统进气道设计问题,采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法对吸气式电推进系统的进气道内流问题进行系统的数值模拟,考虑气固相互作用(GSI)模型对进气道内流特征、进气道收集和压缩性能的影响,并从气体动理论的角度阐明了其作用机理。结果表明:GSI模型对进气道的压缩和收集性能具有巨大的影响,适应系数的降低即GSI中镜面反射比例的升高,能显著提高压缩因子和收集效率,适应系数从1.0降低到0.2使得压缩因子增大7倍多,收集效率增大将近4倍。适应系数的降低能有效增大进气道压缩因子和收集效率的机制是气体分子在内凹型压缩段壁面发生镜面反射之后汇聚通过焦点,进入电离加速段。上层大气层吸气式电推进系统的进气道应该采取几何外形/表面材料相互耦合的设计思路:既采用内凹型压缩段的进气道,更需要通过材料选取或表面加工降低GSI适应系数,使得GSI尽量接近镜面反射。

DSMC量子动理学化学反应模型的数值模拟

为评估直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法中新近发展的一种量子动理学(QK)化学反应模型,在自研高超声速稀薄气体流动数值模拟软件RariHV中实现该模型,并进行了单个绝热单元内的热泳平衡/非平衡反应测试。结果表明,数值解与理论解吻合良好,QK模型具有很好的预测化学反应流动的能力。为进一步验证QK模型在真实流动中的表现,还计算了高超声速绕圆柱的化学反应流动,QK模型计算的驻点线上温度和组分分布都与总碰撞能(TCE)模型结果吻合良好。相较于TCE模型,QK模型的优势是不再依赖反应速率系数的实验数据,在深空探测等化学反应数据缺乏的领域具有一定的应用前景。

供料量对离心机中心区域流场影响的DSMC模拟

为研究离心机中心区域流动状况,采用了直接模拟Monte-Carlo方法(DSMC)对其进行模拟。离心机参数来自于Iguassu模型,在轴对称条件下,计算区域的径向两个边界是旋转壁面,在轴向两个边界上是根据刚体平衡解设定的气体入流。通过模拟计算,验证了在稀薄气体条件下,离心机内气体旋转运动的热力学平衡状态是等温刚体运动。比较了在相同供料量不同供料速度情况下的离心机内流场,结果表明:离心机内最高温度和径向最大速度和供料速度有关,而供料量对离心机轴向速度分布有着很大影响。

近空间高超声速流场通量分裂型DSMC-IP方法

针对近空间高超声速流场的特点,采用Van Leer格式对直接模拟蒙特卡洛-信息保存(DSMCIP)方法质量守恒方程中的计算格式进行改进.将局部马赫数作为分裂通量的标准,并重构单元分界面两侧的左右输运通量,使得计算格式具有通量分裂的特点,解决了DSMC-IP方法在高超声速流场计算中的应用问题.将改进后的通量分裂型DSMC-IP方法引入非结构网格中,对二维近空间高超声速流场进行数值模拟.计算结果表明:通量分裂型DSMC-IP方法所得出的数值结果与实验值及参考值符合较好,明显降低了直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法所带来的统计耗散.当来流气体的稀薄程度增加时,其非平衡效应也更加明显,而通量分裂型DSMC-IP方法的计算结果与参考值相差均在10%以内,良好地反映了非平衡条件下的流场特征,验证了通量分裂型DSMC-IP方法的可行性和有效性.

壁面矩形微尺度结构对高速稀薄剪切流的影响

高超声速飞行器表面往往存在复杂的粗糙结构,其尺度与临近空间飞行器来流分子平均自由程大约在同一量级,此时壁面微尺度结构将显著影响近壁区流动特征以及壁面气动力/热。将壁面粗糙结构简化为周期分布的矩形粗糙元,采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法研究了壁面粗糙元高度、壁面适应系数对高速稀薄剪切流流场特性及壁面气动特性的影响。结果表明:相比于光滑壁面,粗糙壁近壁区气体速度减小、温度降低,壁面总阻力、热载荷增加。壁面粗糙结构增强了气体分子和壁面间的动量、能量交换,这种增强效应随着粗糙元高度的增加而增加,当粗糙元高度增加到分子平均自由程时,整个凹腔内形成旋涡结构,此后粗糙元高度的影响不再明显。此外,壁面适应系数和壁面粗糙结构对近壁区流动存在耦合效应,壁面适应系数越小,粗糙结构对气固间动量、能量交换的促进作用越明显。