开式空腔流动的蒙特卡罗直接模拟

蒙特卡罗直接模拟(Direct Simulation Monte-Carlo)方法是一种基于分子动力论的随机性数值模拟方法,它在各类稀薄气体流动模拟中得到了广泛应用。本文首先讨论了DSMC方法的基本原理,引用文献结果论述了DSMC方法与Boltzmann方程的内在一致性,采用DSMC方法从分子运动论层次对过渡区开式空腔流动进行精细模拟,再现空腔内旋涡的形成及发展过程,了解复杂流场的流场特性。模拟和分析了空腔的形状(展弦比)、壁温以及Knudsen数(稀薄性)等因素对空腔内流动和旋涡结构的影响。研究表明,空腔的展弦比、壁面温度以及流动Knudsen数等因素对空腔内旋涡的大小、形状、位置、个数都有极大的影响,应用DSMC方法可以真实再现稀薄条件下的开式空腔流动。

顺抗磁性混合气体在梯度磁场中流动的蒙特卡罗直接模拟

以氧气和氮气的混合气体为研究对象,运用蒙特卡罗直接模拟方法模拟了顺抗磁性混合气体在高梯度磁场中的流动情况,并把模拟计算结果与已有的实验结果之间进行了对比分析．模拟结果表明:磁场强度与梯度乘积由100T2·m-1增加到1000 T2·m-1时,氧体积分数增量由 0．12％增加到1．89％;混合气体温度由283 K升高到333 K时,氧体积分数增量由0．4％减小到 0．1％;混合气体中氧气的初始体积分数由20％增加到30％时,氧体积分数增量由0．12％增加到 0．59％;压力的变化对氧体积分数的变化几乎没有影响．

Rossi-α测量方法的蒙特卡罗直接模拟

本文基于Geant4toolkit开发了用于Rossi-α测量方法模拟的蒙特卡罗直接模拟程序,模拟计算了橡树岭实验室基准装置6个不同几何尺寸浓缩铀圆柱系统的瞬发中子衰减常数α,同时采用脉冲中子源方法模拟计算了α,二者结果一致。蒙特卡罗直接模拟计算结果与实验结果存在偏差,空隙是产生偏差的最主要原因,随着次临界度的加深,空隙的影响减小,计算和实际测量的α的相对偏差从19%变为0.19%。

直接模拟蒙特卡罗方法在微通道流动模拟中的应用

直接模拟蒙特卡罗方法是一种求解稀薄气体流动换热新的数值方法。本文采用该方法对Kn数跨越速度滑移区和过渡区的三个微通道内的流动进行了数值模拟,给出了通道内速度、压力及局部阻力系数的变化曲线.为了表明通道横纵比对流动的影响,还对每个算例在不同的横纵比下进行了比较。结果表明,微通道内的流动特性不仅与Kn数有关,而且与通道的横纵比也有很大的关系。

直接模拟蒙特卡罗法对连续流体传热和流动的模拟

直接模拟蒙特卡罗法在稀薄气体模拟中获得了成功的应用。然而，在处理连续介质传热和流动问题时，模拟的速度极大地制约了该方法的应用。尤其对于大系统的连续流动，该方法的收敛速度几乎无法实现。鉴于此，本文通过引入超粒子，对直接模拟蒙特卡罗方法进行改进，并将其应用于连续介质传热和流动模拟之中。

直接模拟蒙特卡罗方法的并行方案设计

针对直接模拟蒙特卡罗(DirectSimulationMonteCarlo,DSMC)方法的特点,提出了3种DSMC程序的并行方案.同时,对3种并行方案各自的优缺点进行了论述,并选择了各节点间程序相关性最小的并行方案,将其应用于稀薄气体二维微通道问题的求解.结果表明,串行程序与并行程序的计算结果完全吻合,并且得到了较高的并行效率,且并行效率随节点数的变化并非单调,而是有一个峰值.

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。

直接模拟蒙特卡罗羽流模拟的两相作用模型

为了数值模拟包含气体分子和凝相颗粒的两相羽流场,使用自主开发的羽流计算软件(PWS)对两相作用模型进行研究。计算均匀气流对颗粒的加速过程,结果与理论解一致,证明气体分子对颗粒的单向作用模型合理。计算气体分子在颗粒表面的反射时,将全局坐标系转换到颗粒坐标系确定其法线,再转换到法线坐标系进行镜面反射或漫反射。将这种间接法与使用反射向量的分布函数的直接法进行了对比。对同一个气体分子在颗粒表面的反射进行1×106次数值试验,两种方法所得镜面反射的速度向量均符合空间均匀分布,漫反射的速度向量分布相互一致。使用两种方法模拟150N液体火箭发动机的两相羽流场,所得气相羽流场几乎相同,间接法计算效率较高。液滴颗粒对气流场的影响主要集中在轴线附近,与无液滴的气流场相比,有液滴时会使气流温度升高、压强增大、马赫数减小。

直接模拟蒙特卡罗方法下的逆温度抽样算法

从分子动力学出发,讨论了直接模拟蒙特卡罗方法中分子平均总能量、平均平动能以及边界热流密度的抽样方法.通过对与边界发生碰撞的分子进行统计平均,得到了分子反射能量与入射能量以及边界热流密度的关系式.在此基础上,通过结合壁面漫反射模型下分子反射速度的抽样方法,发展了一种从边界热流求得与壁面碰撞分子的平均反射特征温度的逆温度抽样算法.数值结果表明:该算法能够由分子反射能量准确求得分子反射特征温度,进而求得分子反射速度,从而将边界热流信息带入流场.该方法为实现壁面处给定热流边界条件下的直接模拟蒙特卡罗方法提供了途径.

等壁温加热微通道内气体流动换热特性的直接蒙特卡罗模拟

用直接模拟蒙特卡罗方法对压力边界条件下气体在微通道内的流动换热特性进行了研究,给出了壁面与来流存在温差时的沿程速度分布特点,以及在可压缩性与换热条件综合作用下的温度分布特点。研究结果表明:微通道内气体可压缩性作用显著,温度分布由可压缩性和换热强度的相对强弱综合决定;壁面与来流存在温差时气体沿程速度分布型线在入口段内上凸;壁温高于来流温度时,气流速度与等温流动工况下的速度的相对大小与气体稀薄性有关。

直接模拟蒙特卡罗法模拟二维平面蒸发亚稳态原子退激过程

在原子法激光同位素分离 (AVLIS)工程中 ,金属受电子束的加热而熔化 ,有一部分原子处于亚稳态能级 ,为了分析在蒸发过程中亚稳态原子退激对原子蒸气的速度、温度等物理特性的影响 ,采用直接模拟蒙特卡罗 (DSMC)法模拟钆原子蒸发过程 ,分析亚稳态原子退激过程对蒸气特性的影响。模拟结果表明 :亚稳态原子退激使得原子蒸气的速度增加 ,温度升高 ;克努森数Kn越小 ,原子间碰撞越频繁 。

基于直接模拟蒙特卡罗方法计算单一气体及二元混合气体的平均自由程

运用直接模拟蒙特卡罗方法研究了单一及二元混合气体在平衡态时气体内部分子间的相互碰撞过程。采用可变硬球模型及可变软球模型两种分子间碰撞处理模型对单一及二元混合气体分子平均自由程、单位时间单位体积内碰撞次数在模拟温度为300~20000 K之间进行了模拟计算。为了检验这两种模型模拟计算的精确性,将其结果与对应模型下的理论计算结果进行比较,表明单一气体的模拟结果与理论计算结果相对偏差不超过0.7%,混合气体相对偏差不超过1.5%。同时将上述两种模型的模拟结果与传统硬球模型的计算结果进行比较,发现在硬球模型下,气体分子平均自由程在宽温度区间与其他两种模型相比有较大的误差,而单位时间单位体积内气体分子的碰撞次数与模拟温度的二分之一次方成正比,当模拟温度高于300 K时,其结果大于另外两种模型下的结果。

基于蒙特卡罗法的脱硫塔内气固流动数值模拟

用欧拉法处理气相场的同时用基于拉格朗日法的直接数值模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo,DSMC)法处理离散颗粒场,对循环流化床烟气脱硫塔内气固两相流动特性及其优化进行了数值模拟。基于非结构网格进行数值求解,采用四向耦合方法严格地考虑颗粒–流体、颗粒–颗粒、颗粒–器壁间相互作用,并应用高效的非结构网格搜索法,实现气固相间一一映射的耦合作用与反馈。获得了加装导流板组前后,脱硫塔内气固流动特征、轴向速度分布以及固相颗粒浓度分布,同时对影响颗粒停留时间及颗粒碰撞率的关键因素进行了分析。结果证实了调节脱硫塔内多相流动的必要性与有效性;调节后,塔内两相流动及其分布呈理想对称状态,塔内空间得到了充分利用,各粒径档颗粒停留时间比较一致;颗粒停留时间与气相场分布及颗粒物性密切相关;调节后,床内颗粒碰撞率明显低于调节前。

气体间漏率等效关系的直接模拟蒙特卡洛分析

研究气体间漏率的等效关系,对提高检漏数据判读的准确性具有重要意义。本文基于对金属压扁型漏孔的研究,通过建立分析模型,运用直接模拟蒙特卡罗法数值模拟方法得出了气态工质的漏率曲线及不同工质间漏率的等效关系,验证了气态工质泄漏模型的正确性,可实现已知示漏气体漏率情况下实际工质漏率的虚拟预示。研究结果表明,不同气态工质在同一条件下漏率存在着较大差异,但都随两端压差增大而增大,呈近二次多项式变化趋势,仿真结果与理论分析相符。气态工质间漏率等效性在He漏率≤10-6Pa·m^3/s和He漏率≥10-3Pa·m^3/s时趋于恒值;而当He漏率在[10-6,10-3]Pa·m3/s时,漏率等效性存在着先上升后下降的多项式变化形式,且最大值出现在这一区域之间。研究结果为实际工质与示漏工质间漏率等效数值研究提供了基本方法和参考数据。

持续裂变链引发概率的直接模拟研究

讨论了判断持续裂变链引发的理论依据,利用基于Geant4toolkit开发的蒙特卡罗直接模拟程序,计算了一系列测试几何和超瞬发临界5c/的GodivaⅠ反应堆内持续裂变链的引发概率。结果表明,蒙特卡罗直接模拟计算的结果与Mercury程序及确定性理论结果均一致。

直接蒙特卡罗方法的弯管磨粒流精密加工技术研究

针对弯管类零件内表面精加工技术难题以及磨粒流精密加工弯管中颗粒的作用机制展开了研究。通过结合理论分析、数值和试验的方法进行分析研究。将直接模拟蒙特卡罗方法与有限元分析方法结合揭示磨粒流精密加工过程中颗粒的随机碰撞,在不同的磨粒流入口速度、体积分数以及磨粒粒径下,对弯管中磨粒流的动态压强、湍流动能分析得出了颗粒对壁面的加工机理以及不同加工参数对磨粒流精密加工质量的影响规律。试验结果展示了不同参数对磨粒流精密加工质量的影响顺序并建立了最优工艺参数。讨论了弯管内表面磨粒流精密加工前后的有关表面形态的结果,而且经过磨粒流精密加工后表面粗糙度Ra值由1.125μm降低到了0.295μm。直接模拟蒙特卡罗方法的应用为磨粒流技术的发展提供参考。

考虑原子亚稳态的镥金属蒸发过程模拟研究

镥-177是目前全球医用同位素的研究热点之一,可使用通过电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)辅助生产和加工的镥-176经由反应堆辐照制得.金属蒸发过程是EB-PVD的重要一环,金属原子蒸气的各宏观特征量分布将直接影响后续的沉积镀膜过程.本文基于直接模拟蒙特卡罗方法,将原子亚稳态引入碰撞假设,建立了金属蒸发过程的二维和三维模型,对是否考虑镥原子亚稳态的金属蒸发过程中各宏观特征量进行分析比较,并对中心处宏观特征量随狭缝开口大小和蒸发源表面温度的变化特点进行讨论.研究结果表明,原子亚稳态会导致经过束流装置的金属原子蒸气数密度降低、运动速度和速度的离散程度上升,同时狭缝开口大小和蒸发源表面温度均会引发金属原子蒸气宏观特征量分布的变化.在二维模型基础上进行的三维模拟结果与其变化一致,本工作可为电子束金属蒸发过程的实验研究提供参考和指导.

用GDQ方法模拟微尺度库埃特流动研究

探讨了一种在MEMS中常见的流动系统,对N-S方程加以改进,建立相应的理论模型。采用广义微分积分方法(GDQ)进行流场数值模拟,并用蒙特卡洛直接模拟方法(DSMC)来加以验证。结果表明:新建理论模型的模拟结果与DSMC模拟结果基本吻合。该理论模型可以模拟滑移区和过渡流动区的气体流动;GDQ方法程序简单,计算成本低。

微尺度库埃特流动系统数值模拟研究

随着微电子机械系统(MEMS)的迅速发展,其工程实际问题:比如微型马达、微型轴承中的流动与传热,已经成为研究的热点。探讨了一种在微电子机械系统中常见的流动系统库埃特流(Couette Flow)。从N-S方程、傅立叶导热定律、理想气体状态方程出发,建立起相应的数学模型。并采用广义微分积分方法(GDQ)来进行数值模拟。最后用蒙特卡洛直接模拟方法(DSMC)来验证,并将两者的数值结果加以分析和比较,新建理论模型的模拟结果与DSMC模拟结果基本吻合。该理论模型能用来模拟滑移区和过渡流动区的气体流动,采用的GDQ方法程序比DSMC程序简单,计算成本也低很多。低速流动时,该理论模型只能预测Kn<1.2时的流动特性。

流动数值模拟中GDQ方法的应用

为了满足微电子机械系统的飞速发展,探讨了一种程序简单、计算成本较低的微尺度流动数值模拟新方法-广义微分积分方法。研究工作根据微尺度库埃特流动特点对N-S方程加以改进,建立起相应的理论模型,采用这个模型流动模拟能拓宽到滑移流动区和过渡流动区。然后采用广义微分积分方法来进行流场数值模拟,并用蒙特卡洛直接模拟方法(DSMC)加以验证,结果表明利用新建理论模型的模拟结果与验证结果基本吻合,但是也发现随着努森数的增加两者的误差增加,表明新建理论模型还有必要进一步完善。