留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法

杜松蔚 王学德

杜松蔚,王学德.一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法[J].航空动力学报,2022,37(9):1846‑1854. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210323
引用本文: 杜松蔚,王学德.一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法[J].航空动力学报,2022,37(9):1846‑1854. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210323
DU Songwei,WANG Xuede.High⁃efficiency DSMC implement method based on combination of dual spatial grids[J].Journal of Aerospace Power,2022,37(9):1846‑1854. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210323
Citation: DU Songwei,WANG Xuede.High⁃efficiency DSMC implement method based on combination of dual spatial grids[J].Journal of Aerospace Power,2022,37(9):1846‑1854. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210323

一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210323
基金项目: 

基础加强重点研究项目 2020⁃JCJQ⁃ZD⁃111

详细信息
    作者简介:

    杜松蔚(1996-),男,硕士生,主要从事微尺度气体流动研究。

    通讯作者:

    王学德(1977-),男,副教授,博士,主要从事稀薄气体动力学方面研究。E⁃mail:wangxuede2000@njust.edu.cn

  • 中图分类号: V448.2

High⁃efficiency DSMC implement method based on combination of dual spatial grids

  • 摘要:

    基于双重空间网格结合策略,发展了一种高效率的贴体DSMC(direct simulation Monte Carlo)方法。通过将仿真分子在物理空间结构网格的位置坐标映射于计算空间的直角网格中,并在计算空间中完成分子所属网格单元的定位以及分子与边界是否发生作用的判断,从而结合结构网格的贴体性和直角网格的高效率计算的优点,提高DSMC方法的贴体性和计算效率。基于双重空间网格结合策略,通过直接映射和间接映射法分别建立DSMC程序,对微尺度收缩扩张喷管气体流动和超声速圆柱绕流进行模拟。数值结果表明:两种方法均很好地模拟出微喷管因尺度缩小导致的黏性效应和速度滑移现象以及超声速圆柱绕流发生的激波现象,具备有效性。与传统结构网格方法对比,两种方法的计算效率平均分别提高了3.85倍和2.85倍,具备高效性。

     

  • 图 1  分子位置信息和分子所属网格信息通讯示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of communication of molecular location information and grid information to which the molecule belongs

    图 2  分子与边界作用信息通讯示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of communication of interaction information between molecular and boundary

    图 3  分子追踪定位流程图

    Figure 3.  Flow chart of molecular tracking and positioning

    图 4  不同空间下的模型网格

    Figure 4.  Model grids in different spaces

    图 6  壁面压力

    Figure 6.  Wall pressure

    图 7  壁面滑移速度

    Figure 7.  Wall sliding velocity

    图 8  出口截面亚声速边界层厚度和推力分别与雷诺数的关系

    Figure 8.  Relationships of the subsonic boundary layer thickness at the exit section and the thrust with the Reynolds number

    图 9  不同空间下的流场网格

    Figure 9.  Flow field grids in different spaces

    图 10  两种方法的马赫数云图

    Figure 10.  Mach number cloud diagram of two methods

    图 11  气流沿驻点线的马赫数分布图

    Figure 11.  Distribution of Mach number of the gas flow along the stagnation point line

    图 12  圆柱绕流上壁面的压力系数分布图

    Figure 12.  Distribution of pressure coefficient on the upper wall of the flow past circular cylinder

    表  1  微喷管流动模拟三种方法的耗时比较

    Table  1.   Time consumption comparison of three methods for the simulation of the micro-nozzle flow

    方法单步长平均耗时/s总耗时/h
    直接映射法0.2027.3
    间接映射法0.3041.7
    传统结构网格方法0.78108.3
    下载: 导出CSV

    表  2  超声速圆柱绕流模拟三种方法的耗时比较

    Table  2.   Time consumption comparison of three methods for the simulation of the supersonic flow past circular cylinder

    方法单步长平均耗时/s总耗时/h
    直接映射法0.2513.9
    间接映射法0.3016.7
    传统结构网格方法0.9552.8
    下载: 导出CSV
  • [1] BIRD G A.Molecular gas dynamics[M].Oxford,UK:Clarendon Press,1976.
    [2] 蔡国飙.真空羽流问题的数值模拟研究[D].北京:北京航空航天大学,1995.

    CAI Guobiao.Research on numerical simulation of vacuum plume problem[D].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics,1995.(in Chinese)
    [3] 王沫然.微纳尺度气体流动和换热的Monte Carlo模拟[D].北京:清华大学,2004.

    WANG Moran.Monte Carlo simulation of gas flow and heat transfer at micro⁃nano scale[D].Beijing:Tsinghua University,2004.(in Chinese)
    [4] 杨宪章,魏守水,何晓川.微通道内气体流动的DSMC模拟[J].武汉理工大学学报,2009,31(13):99⁃103.

    YANG Xianzhang,WEI Shoushui,HE Xiaochuan.DSMC simulation of gas flow in microchannels[J].Journal of Wuhan University of Technology,2009,31(13):99⁃103.(in Chinese)
    [5] BIRD G A.Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows[M].Oxford,UK:Clarendon Press,1994.
    [6] BIRD G A.Application of the DSMC method to the full shuttle geometry[R].AIAA⁃90⁃1692,1990.
    [7] LAUX M,FASOULAS S,MESSERSCHMID E.Development of a DSMC code on planar unstructured grids with automatic grid adaptation[R].AIAA⁃95⁃2053,1995
    [8] WU J S,TSENG K C,KUO C H.The direct simulation Monte Carlo method using unstructured adaptive mesh and its application[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,2002,38(4):351⁃375.
    [9] 王学德,伍贻兆,夏健.二维非结构网格DSMC方法的实现及其应用[J].南京航空航天大学学报,2004,36(6):704⁃707.

    WANG Xuede,WU Yizhao,XIA Jian.Implementation and application of two⁃dimensional unstructured grid DSMC method[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2004,36(6):704⁃707.(in Chinese)
    [10] 汤继斌,钟诚文.一种基于结构化贴体网格的DSMC方法研究[J].航空计算技术,2005,35(2):57⁃61.

    TANG Jibin,ZHONG Chengwen.A DSMC method based on structured body⁃fitted grid[J].Aeronautical Computing Technology,2005,35(2):57⁃61.(in Chinese)
    [11] 沈青,胡振华.过渡领域三维绕流直接统计模拟位置元法的一种新方案[J].空气动力学学报,1996,14(3):295⁃303.

    SHEN Qing,HU Zhenhua.A new scheme of position element method for direct statistical simulation of three⁃dimensional flow around the transition field[J].Acta Aerodynamica Sinica,1996,14(3):295⁃303.(in Chinese)
    [12] 侯凤龙,蔡国飙.应用于DSMC方法的直角网格技术[J].北京航空航天大学学报,2010,36(6):694⁃699.

    HOU Fenglong,CAI Guobiao.Rectangular grid technology applied to DSMC method[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2010,36(6):694⁃699.(in Chinese)
    [13] 王春财,程嘉,季林红,等.基于Delaunay三角形网格的2维DSMC算法实现及应用[J].清华大学学报(自然科学版),2015,55(10):1079⁃1086.

    WANG Chuncai,CHENG Jia,JI Linhong,et al.Implementation and application of 2D DSMC algorithm based on Delaunay triangular mesh[J].Journal of Tsinghua University (Natural Science Edition),2015,55(10):1079⁃1086.(in Chinese)
    [14] ABE T.Rarefied gas flow analysis by direct simulation Monte Carlo method in body⁃fitted coordinate system[J].Journal of Computational Physics,1989,83(2):424⁃432.
    [15] 张斌,刘洪,余彬.针对DSMC方法的BCP粒子定位实现方法及系统:CN108920872A[P].2018⁃11⁃30.
    [16] 张来平,常兴华,赵钟,等.计算流体力学网格生成技术[M].北京:科学出版社,2017:64⁃68.
    [17] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001:437⁃441.
    [18] 樊菁,彭世镠,刘宏立,等.DSMC位置元方法中的表面元的程序标识及分子表面反射确定论判据[J].力学学报,1999,31(6):671⁃676.

    FAN Jing,PENG Shiyu,LIU Hongli,et al.The program identification of surface elements and the deterministic criterion of molecular surface reflection in DSMC position element method[J].Theoretical and Applied Mechanics,1999,31(6):671⁃676.(in Chinese)
    [19] 杨海威.微喷管流动与换热特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

    YANG Haiwei.Research on flow and heat transfer characteristics of micro⁃nozzle[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007.(in Chinese)
    [20] MARKELOV,GENNADY N.Numerical study of 2D/3D micronozzle flows[J].American Institute of Physics,2001,585(1):539⁃546.
    [21] 王学德.高超声速稀薄气流非结构网格DSMC及并行算法研究[D].南京:南京航空航天大学,2006.

    WANG Xuede.Research on DSMC and parallel algorithm of hypersonic rare airflow unstructured grid[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2006.(in Chinese)
  • 加载中
图(13) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  334
  • HTML浏览量:  175
  • PDF量:  50
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-24

目录

    /

    返回文章
    返回