Boltzmann方程可计算建模气体动理论统一算法与跨流域空气动力学应用研究

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• 论文作者：李志辉 ; 吴俊林 ; 李绪国 ; 蒋新宇 ; 张涵信
• 年：2016
• 作者机构：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所;国家计算流体力学实验室;
• 论文关键词：Boltzmann方程 ; 可计算建模 ; 跨流域空气动力学 ; 统一算法 ; 高性能并行计算
• 会议召开时间：2016-10-20
• 会议录名称：第九届全国流体力学学术会议论文摘要集
• 语种：中文
• 分类号：O35
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第九届全国流体力学学术会议
• 会议地点：中国江苏南京
• 主办单位：中国力学学会流体力学专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：1
• 文件大小：63k
• 原文格式：O
• 会议级别：全国

摘要

随着高性能计算机与流体力学计算技术进步,是否能发展可靠模拟航天器再入各流域复杂高超声速绕流问题一体化数值计算方法?是航天器再入气动设计与调姿配平关键基础。为研究各流域气动特征,过去近二十年来,报告人基于对连接微观分子动力学与宏观流体力学的介观Boltzmann(玻尔兹曼)方程碰撞积分物理分析与可计算建模,提出了直接求解Boltzmann(玻尔兹曼)模型方程气体动理论统一算法(GKUA)。本文以此为基础,针对大型航天器复杂外形绕流多流区共存与精细描述的困难,使用气体分子碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数,将各流域流态控制参数、宏观流动物理量、气体粘性输运特性、热力学效应及气体分子相互作用规则和分子模型等用统一的表达式联系起来,确立描述航天器跨越飞行各流域复杂高超声速流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程。研制适于跨流域高、低不同马赫数绕流问题模拟的离散速度坐标法与宏观流动参数动态确定离散速度数值积分法。采用Crank-Nicolson隐式方法与混合通量NND差分技术,构造直接求解Boltzmann模型方程LU-SGS隐式格式与网格中心型有限体积方法,研究设计了一种基于块与块之间数据传递的多块对接网格生成方法,克服了显式格式、单块网格在处理连续、近连续流区复杂外形绕流时计算效率较低的问题。通过将隐式与显式格式用于近连续流区、连续流区计算检验与对比分析,两种途径得到的结果完全一致,且与连续流理论解经典数据吻合较好,隐式格式每时间步所需CPU时间约为显式格式的一半,表明本文算法模型具有较高计算效率与强劲收敛特性。通过发展基于物理空间与速度空间两相六维空间区域分解并行计算策略,基于小、中、大规模64~1024、1024~8000、4950~20625CPU及众核异构计算机500~115000CPU进程并行算法测试,获得拟线性加速与至少90%以上并行效率,研制了求解Boltzmann模型方程可扩展大规模并行算法与再入各流域复杂气动力/热问题并行计算软件。通过对全飞行流域不同Knudsen数、不同马赫数可重复使用卫星体、飞船返回舱等再入气动力/热绕流问题大规模并行计算与算法验证,证实Boltzmann方程可计算建模统一算法在求解航天器往返大气层各流域复杂高超声速气动力/热绕流问题的精度与可靠性,揭示高稀薄流到连续流不同流区、不同马赫数复杂绕流现象与流动变化机理。

引文