稀薄气体动力学:进展与应用

简要回顾了稀薄气体动力学的发展历程;重点介绍了该领域最近二三十年的主要进展,这突出表现在分子模拟方法(DSMC方法、信息保存方法等)的迅速发展与成功应用;概述了航天工业、真空技术、微机电系统等尖端技术中的稀薄气流问题,以及最近几届国际稀薄气体动力学会议的主题.在此基础上指出了学科前沿问题,以及几个与实际应用有关的重大问题,如过渡流区高超声速三维非平衡流场的精细预测和实验验证、热层大气的时空演化规律与探测、以气体为介质的微机电系统设计与优化、真空环境下原子水平的材料制备工艺的定量设计.

稀薄气体动力学矩方法研究综述

临近空间位于航天器入轨与返回的必经区域,也是临近空间高超声速飞行器长航时飞行空域,空间环境的特殊性决定了飞行器在穿越时必须考虑稀薄大气环境对飞行器气动力防隔热通讯及控制的影响.Boltzmann方程作为描述气体分子速度分布函数演化规律的微分-积分形式,在一定条件下能够描述从自由分子流到连续流全流域流动现象.作为Boltzmann方程的宏观表达形式,矩方程这一经典流体力学方程形式涵盖了Euler方程N-S方程Burnett方程super-Burnett方程及近年来发展的广义流体力学方程——非线性本构关系模型等.由于成熟的CFD数值计算理论及有限矩方程较高的计算效率,滑移过渡流矩方法相比粒子仿真与Boltzmann模型方程方法具有十分显著的优势和巨大的工程应用潜力.因此,对近年来传统及新型矩方法研究所取得的进展进行归纳总结,并针对关键科学问题开展理论与数值计算方法研究,具有十分重要的理论与工程应用价值.

认识稀薄气体动力学

以通俗易懂的方式介绍了空气动力学当气体间断分子效应显著时发展起来的特殊分支——稀薄气体动力学.讨论了非平衡现象与稀薄气体动力学的关系.通过与8速度气体模型的间断Boltzmann方程的对比,解释了Boltzmann方程碰撞项的物理意义和数学困难,简要综述了其一般解法.讨论了分子在物体表面的反射和问题的边界条件,着重介绍了直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和为克服低速稀薄流动(如MEMS中流动)中模拟困难的信息保存(IP)方法.

航天飞行中的稀薄气体动力学

飞船、宇航探测器、航天飞机等复杂外形航天器给气体动力学，包括稀薄气体动力学提出了新的要求。本文简要介绍了为计算过渡领域中气动力与热而发展的基于位置元概念的DSMC方法的通用算法。该方法解决了计算物面通量量的技术难点并已用于模拟圆球、飞船、类航天飞机的绕流。正在进行的航天实践，如麦哲伦飞船对金星的探测、行星大气中的气动制动、伽利略飞船的木星之行、尾屏蔽在太空中获得高真空的实验等等提出了新的气动力问题，稀薄气体动力学和DSMC方法是有力的工具。

第24届国际稀薄气体动力学会议简介

第24届国际稀薄气体动力学会议于2004年7月11日至16日在意大利巴里市召开.会议主席为巴里大学化学系主任马里奥·卡彼特利教授.

评介《稀薄气体动力学》

从上世纪末期开始,由我国空气动力学工作者共同编著的<近代空气动力学丛书>陆续出版了.这是庄逢甘院士和张涵信院士等领导的丛书编委会组织空气动力学工作者发挥集体智慧编著的一套跨世纪的丛书.

稀薄流气粒两相耦合作用的热力学模型

基于直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,从描述粒子微观运动层次出发,构造高空稀薄环境下气体—颗粒两相双向耦合作用的热力学模型,发展适用于稀薄流过渡区多相复杂流动的DSMC算法。通过算例验证,结果表明,此模型能够较好地反映相间动量和能量传输机制。

分子气体稀薄效应的动理学建模

稀薄气体效应,是指气体在特征尺度与其分子平均自由程相当的系统中流动时出现的非平衡效应。相比于单原子气体,分子气体(每个气体分子包含两个及以上原子)流动因同时具有转动、振动等多种自由度的非平衡过程,其稀薄效应更为复杂。分子气体稀薄效应在航空航天、微机电系统和页岩气开采等民生、科技领域广泛存在,而描述该效应的动理学模型与数值模拟方法尚不成熟。本文从单原子气体与玻尔兹曼方程出发,介绍气体动理学建模的相关研究现状,针对分子气体特性详细讨论气体弛豫过程与输运系数的关系。针对典型的稀薄气体流动验证常用的模型方程的精度,并指出直接模拟蒙特卡罗方法在分子气体稀薄流动应用中存在的问题,即在体积黏性确定的情况下无法指定热流弛豫速率及恢复热导率。随后针对此问题,使用吴模型量化研究该弛豫速率在分子气体稀薄流动模拟中导致的宏观量的不确定性,并讨论从分子动力学模拟和瑞利-布里渊散射实验中减小甚至消除不确定性的方法。本文对涉及化学反应的稀薄气体流动建模有指导意义。

稀薄气体流动非线性耦合本构关系研究进展

临近空间高超声速飞行器流场蕴含着复杂的非线性流动机理与丰富的热化学非平衡流动现象,基于Newton摩擦定律和Fourier热传导定律的Navier-Stokes(N-S)方程不足以描述高超声速飞行器从连续流到稀薄流的多尺度非平衡现象。非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations,NCCR)作为一种全新的本构方程体系,在严格满足热力学熵条件的基础上,巧妙地构建了应力与热流的非线性表达形式。然而,NCCR方程的强非线性耦合特性是求解过程的一大难题。为了克服这一技术瓶颈,提出了混合迭代算法,为实现NCCR方程的高效稳定求解提供了坚实的理论基础。在该理论研究的基础上,考虑到原始NCCR方程对热通量演化方程的简化处理,降低了方程的计算精度,提出了改进的NCCR+方程。该方程在强激波压缩区域和膨胀区域表现出比传统NCCR方程更高的计算精度与更强的非平衡流动模拟能力。同时,为了解决临近空间高超声速空气动力学的多尺度与多物理效应耦合难题,提出了NCCR与转动非平衡的耦合计算模型,拓展了NCCR方程在双原子气体中的模拟能力。为了揭示稀薄气体效应与真实气体效应的耦合作用机理,进一步建立了NCCR与热化学反应的耦合计算方法。大量研究结果表明,考虑多物理效应的NCCR方程在低Kn下能够恢复到与N-S方程一致的解。随着Kn的增加,流场的非平衡程度逐渐增强,其结果与N-S方程差异显著,而与DSMC方法计算结果和实验数据具有更好的一致性。

高超声速稀薄流的气粒多相流动DSMC算法建模研究

基于直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,构造适用于DSMC算法的固态和液态颗粒碰撞、聚合和分离模型,发展稀薄条件下双向耦合作用的气粒多相流的DSMC算法,在此基础上初步实现高超声速稀薄流环境中的气粒多相喷流流场数值模拟。算例结果表明该方法能为稀薄过渡区气粒多相流动提供一种新的应用研究手段。

基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

从Boltzmann-Shakhov模型方程出发，研究确立含流态控制参数可描述不同流域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程；研究发展气体运动论离散速度坐标法，借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式，结合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术，发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式；研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法，由此提出一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法。通过对不同Knudsen数下一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明，计算结果与有关实验数据及其它途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好，证实气体运动论统一算法求解各流域气体流动问题的可行性。尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计，基于对球体绕流及类“神舟”返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算，显示出统一算法具有很好的并行可扩展性，可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向。通过将气体运动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究，已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数值算法；通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟，证实该算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力，可望发展起基于Boltzmann模型方程能可靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径。

未来航空空气动力学的发展(上)

介绍了与航空空气动力学相关的技术,包括湍流理论、涡结构、转捩和分离机制及主动涡控制技术,大型高速民航机和军用运输机减阻技术,可重复使用的高超声速空天飞行器以及与未来微型航空器相关的昆虫飞行动力学。

纪念谈镐生先生诞辰九十周年暨基础力学学术会议介绍

2006年12月1日是国际著名的力学家、应用数学家谈镐生院士诞辰九十周年纪念日．为纪念谈先生在力学学科的卓越贡献，缅怀他对推动我国力学基础研究和培养科技人才所作出的杰出贡献，中科院力学所于这天上午在所礼堂隆重举行“纪念谈镐生先生诞辰九十周年暨基础力学学术会议”．会前举行了《谈镐生先生文集》首发式，该文集由胡文瑞院士主持编辑，科学出版社出版，收录了谈镐生先生在流体力学、稀薄气体动力学和应用数学研究领域的论文和研究报告26篇，谈先生倡导和推行力学基础研究的有关文章和论述21篇，谈先生的学术活动和生活图片多幅，简介了谈先生生平．

基于稀薄气-粒两相流的蒙特卡洛颗粒辐射模型研究

在气-粒两相相变模型及液态和固态颗粒碰撞、聚合和分离模型的基础上,发展稀薄条件下考虑颗粒辐射的蒙特卡洛颗粒辐射模型。通过对高超声速稀薄环境中的气-粒两相喷流流场的数值模拟,得到气-粒两相流的流场参数,利用所得流场参数作为颗粒辐射模型的初始参数进行颗粒辐射计算,同时考虑了有无探照发射时的光谱辐射强度。结果表明,在颗粒浓度较大时计算两相稀薄流的流场参数,考虑颗粒辐射是必要的,并且考虑有无探照发射对光谱辐射强度数值的影响。

气体与表面相互作用——最新的观察与解释

在过去十年内，随着计算机的广泛使用和性能的显著提高，稀薄气体动力学研究的课题更加充实丰富，在实验方法和仪器设备方面也有重要进展．本文第一部分叙述粒子表面动力学的最新研究进展，其中发现选定状态的离子的速度和转动能是入射束的离开方向和参数的函数．最近，与实验一起进行了大量计算机模拟，表明二者相结合的研究是很有益的．在束流实验中，所产生的散射粒子的速度分布和密度与数值模拟结果符合得很好．第二部分介绍了更直接地与非常高的大气层中的飞行和测量相联系的气体壁面相互作用的研究．本节从考察一些年前完成的离子束与表面相互作用开始．它提供了很有参考意义的与现代研究结果的比较，并给出了有用的标准．本文接下去探讨了“火星探索者”外形，它在过去几年内一直是一些风洞和计算研究的课题．

稀薄气体动力学研究和实践的基本原理

本书的对象是工作在稀薄气体动力学领域的研究人员和专业人员，本书为他们提供进入上述领域的连贯而又严密的路径，包括解决实际问题的相关方法。读者无需具备气体动力学的知识。

稀薄气体动力学：研究和实践的基本原理

本书的读者对象是工作在稀薄气体动力学领域的研究人员和专业人员，本书为他们提供进入上述领域的连贯而又严密的知识通道，包括解决实际问题的相关方法。读者无需具备气体动力学的知识。

合并式电离-复合反应的 DSMC 模拟

采用ＤＳＭＣ方法研究分子碰撞反应机理，在分子水平上模拟绝热封闭体系合并式电离－复合反应的弛豫过程。ＤＳＭＣ结果与反应动力学理论结果相符，验证了本文所用的ＤＳＭＣ仿真模型是合理的。

稀薄气体动力学研究基础与实践

本书为在日常工作中处理稀薄气体流动问题的研究工作者和专业人员，提供一本稀薄气体动力学的连贯而严密的入门教材，其中包括解决实际问题的相关方法。阅读时并不需要具备有气体动力学的知识。

低轨道空间箔条干扰的扩散模型

基于稀薄气体动力学对低轨道空间箔条干扰受到的大气阻力进行分析,得到了箔条阻力系数的近似表达式。针对箔条云扩散的宏观特性,得到了抛撒后箔条云质心与被掩护目标相对运动的模型。基于此模型,对低轨道空间箔条干扰抛撒后能否将被掩护目标包覆在其中以起到良好干扰效果的问题进行了研究,分析了不同抛撒时刻对箔条云有效作用时间的影响,给出了低轨道空间箔条云抛撒时刻的建议。在箔条云扩散的微观特性方面,对箔条云内部的密度分布以及箔条姿态的统计分布规律进行了分析,得到了箔条干扰抛撒后的扩散演化模型。研究为箔条干扰的研发提供了理论指导。