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基于离散坐标法(DOM)的光刻机内部流场模拟

基于离散坐标法(DOM)的光刻机内部流场模拟

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：胡开南李志远刘宇东华理工大学土木及建筑工程学院北京应用物理及计算数学研究所南方科技大学广东省湍流基础研究与应用重点实验室南方科技大学力学与航空航天工程系

光刻机内部流场是一种多尺度、多组分的复杂流动。流场内各组分压力相差巨大,并且伴随着剧烈的速度变化和温度变化,数值模拟存在较大困难。本文基于离散坐标方法(DOM,Discrete Ordinate Method),采用谱方法离散粒子速度空间,给出了估算... 详细信息

光刻机内部流场是一种多尺度、多组分的复杂流动。流场内各组分压力相差巨大,并且伴随着剧烈的速度变化和温度变化,数值模拟存在较大困难。本文基于离散坐标方法(DOM,Discrete Ordinate Method),采用谱方法离散粒子速度空间,给出了估算努森数的合理方法,并采用多特征值无量纲化策略,减少了计算资源的消耗,提高了计算速度。空间采用NND格式,时间采用三阶荣格—库塔格式。编写并行计算程序,实现并行计算,得到光刻机内部温度场、速度场和密度场。计算结果表明,光刻机中的氢气气封能起到很好的密封作用。在氢气气封的作用下,只有极微量的水蒸气和乙醇蒸汽从光刻机下部腔体逸出,到达光刻机腔体上部。这说明气封设计合理,可以防止光刻机顶部激光器被乙醇蒸汽和水蒸气污染。氢气经过气封流入光刻机下部腔体后,温度降低120K左右;进入光刻上部腔体后,温度下降60K左右。计算得到温度场与理论预估吻合良好。光刻机内部流场的计算结果可以为光刻机设计提供参考。此外,多组分、多尺度、大压力比且速度、温度变化剧烈的流场广泛存在于自然界和工业界,本文提出的计算策略具有推广价值。

关键词：多尺度流场多组分流动散坐标法(DOM) 光刻机内部流场谱方法多特征值无量纲策略

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含分散相颗粒化学反应流体R-M不稳定性的数值模拟

含分散相颗粒化学反应流体R-M不稳定性的数值模拟

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：强筱婕王兵余奕甫清华大学航天航空学院

采用有限差分法离散了守恒型可压缩Navier-Stokes方程和种输运方程,非粘性数值流场计算采用五阶紧致WENO混合格式,粘性项离散采用六阶紧致格式。模拟中使用了一种9种物质和19步氢氧反应的化学机理。通过与已有实验研究结果的比较,进行... 详细信息

采用有限差分法离散了守恒型可压缩Navier-Stokes方程和种输运方程,非粘性数值流场计算采用五阶紧致WENO混合格式,粘性项离散采用六阶紧致格式。模拟中使用了一种9种物质和19步氢氧反应的化学机理。通过与已有实验研究结果的比较,进行了一系列数值模拟,验证了该方法的有效性。数值计算结果与实验结果在振幅和演化形式上均吻合较好。然后将该方法应用于反应流,揭示了燃烧反应对Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性增长机理的影响。通过改变入射冲击强度、界面初始幅值和未燃混合物温度来说明它们对界面演化的影响。也为进一步开展含分散颗粒相的可压缩流动RM不稳定性研究奠定了基础,更接近于实际应用。空气侧初始温度越高,密度比越小时,化学反应放热和产物生产越剧烈,其中主要产物水主要产生于界面顶部及茎部的漩涡处,且化学反应温度越高对界面失稳具有一定的抑制作用。随着入射激波增强,界面处温度略为增高,化学反应更加剧烈,生成物浓度增大。同时,界面失稳也更加剧烈,流体速度增大加快了漩涡的剥脱,二次不稳定现象更明显。随着初始幅值的增长,漩涡的发展和剥脱更剧烈,加快进入湍流模式。另外,流体失稳界面处的温度略有增高,化学反应更加剧烈,生成物浓度更高,分布区域也更大。

关键词： RM不稳定性激波数值模拟

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温度对表面活性剂及聚合物混合溶液结构及粘度影响的分子动力学研究

温度对表面活性剂及聚合物混合溶液结构及粘度影响的分子动力学研...

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：刘冬洁陈飞魏进家西安交通大学化学工程与技术学院

表面活性剂胶束与聚合物分子能在其混合溶液中形成新的聚集体结构。该结构不仅使得溶液呈现特殊的流变性,也使溶液具有优异的减阻性能。本文以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、非离子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)及反离子盐水杨... 详细信息

表面活性剂胶束与聚合物分子能在其混合溶液中形成新的聚集体结构。该结构不仅使得溶液呈现特殊的流变性,也使溶液具有优异的减阻性能。本文以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、非离子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)及反离子盐水杨酸钠(NaSal)组成的混合溶液为研究对象,以温度为主要变量,对混合溶液的稳态结构弛豫过程及粘度进行粗粒化分子模拟,讨论温度对混合溶液内部结构的影响,进而分析结构对溶液流变性及减阻性能的影响。计算结果表明,升高温度不仅提升了溶液内部结构的形成速率,也明显提升了表面活性剂胶束在最终稳态结构中的平均尺寸。通过对不同剪切速率下溶液粘度的计算,表明随着温度的升高,混合溶液的粘度逐渐降低,其趋势与Andrade方程吻合。综合分析可知,改变温度对溶液中的结构有促进及抑制的双重作用。在流变性上,升温使得溶液粘度降低,体现了温度对结构的抑制性;在减阻上,升温一定范围内可以提升溶液的减阻性能,表明了温度对结构的促进性,超过此范围则溶液减阻性能明显下滑,展现了温度对结构的抑制性。

关键词：表面活性剂聚合物温度分子动力学模拟流变

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聚能射流二维计算转三维斜侵彻钢靶的数值模拟研究

聚能射流二维计算转三维斜侵彻钢靶的数值模拟研究

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：李蕾钟敏陈翰陈实柏劲松中国工程物理研究院流体物理研究所深圳技术大学工程物理学院

聚能效应(在英美称为Munroe效应在欧洲称为vonFoerster或Neumann效应)自发现以来,一直在工业、军事、国防领域有着重要而大量的应用,例如,侵彻复合装甲(反坦克)、引爆炸药或推进剂、攻击坚固目标的串联随进战斗部的前级聚能装置、攻击... 详细信息

聚能效应(在英美称为Munroe效应在欧洲称为vonFoerster或Neumann效应)自发现以来,一直在工业、军事、国防领域有着重要而大量的应用,例如,侵彻复合装甲(反坦克)、引爆炸药或推进剂、攻击坚固目标的串联随进战斗部的前级聚能装置、攻击舰船的先进鱼雷聚爆兼容战斗部以及攻击空中目标的多聚能战斗部等。课题组采用自主欧拉程(控制方程见式1)对聚能射流水下侵彻钢靶进行了数值模拟。聚能类水中侵彻钢靶是一个非常复杂的过程,大致包括炸药爆轰、压垮金属罩、射流/射弹形成、射流\射弹穿水以及在水中的断裂及消耗、最终侵彻靶板开孔破坏等一系列复杂的物理化学过程。本文计算了聚能射流形成、穿过长距离水域后对钢靶的侵彻过程。正侵彻可以看成是一个二维轴对称的问题,而斜侵彻是一个三维问题,由于涉及长水域的计算,计算规模较大,网格数量较多,对计算资源需求较大,计算时间较长。但是斜侵彻问题在射流撞上靶前都可以简化成二维轴对称问题。为了节约计算资源,提高计算效率,本文先用二维轴对称模型计算了射流的成型和穿水(见图1),在射流达到30°斜角的靶前,将二维轴对称的流场数据旋转成三维,再插值到三维计算域,接着进行三维计算(见图2),较为高效的完成了斜侵彻过程的模拟。

关键词：斜侵彻聚能射流二维轴对称二维计算数值模拟研究

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化学反应可压缩均匀各向同性湍流的动能多尺度传输

化学反应可压缩均匀各向同性湍流的动能多尺度传输

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：滕健王建春李辉陈十一南方科技大学工学院力学与航空航天工程系武汉大学动力与机械学院机械工程系

我们对化学反应可压缩均匀各向同性湍流开展了直接数值模拟,并分析了在湍流马M_t=0.2和0.8状态下的动能多尺度传输特性。结果表明,对于放热化学反应的情况和低湍流马赫数M_t=0.2的状态,反应放热能够显著增加流场的压缩和膨胀运动,且强... 详细信息

我们对化学反应可压缩均匀各向同性湍流开展了直接数值模拟,并分析了在湍流马M_t=0.2和0.8状态下的动能多尺度传输特性。结果表明,对于放热化学反应的情况和低湍流马赫数M_t=0.2的状态,反应放热能够显著增加流场的压缩和膨胀运动,且强压缩运动将导致流场中形成微激波（shocklets）结构;而在相同湍流马赫数状态下的等温化学反应中,未观察到微激波结构。放热化学反应能够同时增强压力做功项的正负分量以及亚格子动能通量的正负分量,这直接导致了动能传输的正向级串与逆向级串均得到增强。但总体而言,动能还是由大尺度逐级向小尺度传输。采用亥姆霍兹分解,将动能传输项分解为剪切部分和可压缩部分。反应放热对压力做功项和亚格子动能通量项的剪切部分影响较小,但放热使上述两项的可压缩部分在所有尺度均有较为明显的增大,可压缩亚格子动能通量的增大促进了动能的可压缩部分由大尺度向小尺度传输,同时,在小尺度上,动能的可压缩部分的粘性耗散也增大。

关键词：化学反应湍流可压缩湍流均匀各向同性湍流动能传输

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强化学习在流动控制中的应用

强化学习在流动控制中的应用

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：谢芳芳郑畅东季廷炜浙江大学航空航天学院

采用有效的流动控制手段抑制流动分离和减阻对飞行器设计具有重要的理论指导价值和工程意义。由于主动流动控制需要探索庞大的状态动作空间,工程上通常采用常量输入或周期性的谐波输入。因此,寻找一种较强适应性的复杂主动流动控制策略... 详细信息

采用有效的流动控制手段抑制流动分离和减阻对飞行器设计具有重要的理论指导价值和工程意义。由于主动流动控制需要探索庞大的状态动作空间,工程上通常采用常量输入或周期性的谐波输入。因此,寻找一种较强适应性的复杂主动流动控制策略十分有必要。本文将基于强化学习和计算流体力学构建智能化的主动流动控制框架,以雷诺数100的二维圆柱绕流模型为研究对象,在圆柱两端配置对称的喷口,寻找自适应控制流动策略从而实现圆柱减阻和减振。具体过程是:采用强化学习建立近端策略优化算法代理,通过与计算流体力学模拟环境不断交互,同时根据目标导向的及时反馈收益动态调整参数,在获得稳定结果的基础上,通过分析圆柱流场情况揭示流动控制策略的内在机理。本文将从以下三个方面进行介绍:首先介绍强化学习算法及其近端策略优化算法的基本推导过程,并在Pendulum环境和SIN环境中进行简单测试,证明可行性以及探索强化学习算法在周期性问题中的基本规律;然后搭建二维固定刚性圆柱绕流环境,以减阻为目标探索喷口的自适应流动控制策略,研究结果表明喷口的流动控制策略包含大动作减阻和小动作维稳两个控制阶段,减阻的原因在于圆柱周围流场压力梯度下降,圆柱压差阻力项减小;最后搭建二维刚性圆柱涡致振动环境,以减阻减振为目标探索喷口的自适应流动控制策略,研究结果显示强化学习下的策略同样使圆柱附近流场压力分布更均衡以减少阻力,同时发现圆柱上下表面压力差减小以及压力相等临界点前移,直接导致升力幅度降低,最终实现抑制振动的目的。

关键词：强化学习流动控制减阻减振

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燃烧多相流系统的DBM建模方法研究进展

燃烧多相流系统的DBM建模方法研究进展

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：许爱国张玉东甘延标林传栋陈锋赖惠林张戈北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室郑州大学力学与安全工程学院北华航天工业学院中山大学中法核工程与技术学院山东交通学院航空学院福建师范大学数学与信息学院

燃烧多相流系统内至少存在4个时间尺度:热力学弛豫时间τ、流动模式的时间尺度t、液气相变的时间尺度t、化学反应的时间尺度t。首先,流动模式快,液气相变快,化学反应快,都会导致相应过程中热力学非平衡程度高。同时,这4个时间尺度当中,... 详细信息

燃烧多相流系统内至少存在4个时间尺度:热力学弛豫时间τ、流动模式的时间尺度t、液气相变的时间尺度t、化学反应的时间尺度t。首先,流动模式快,液气相变快,化学反应快,都会导致相应过程中热力学非平衡程度高。同时,这4个时间尺度当中,任何2个靠得较近,都会导致相应的两个过程产生强耦合,从而使得系统行为更加丰富、复杂。从4个时间尺度中任取2个进行比较,可构造6个无量纲参数。如果我们约定,小的做分子,大的做分母,则这6个无量纲参数中,有一个是Knudsen （Kn）数。除了Kn数,另外5个无量纲参数的效应也值得关注和研究。对于这些满足一定条件就必定会发生的物理现象,人们的处理原则是:有利则强之,有害则抑之。我们工程中目前遇到的是哪种情形?是我们最期望的吗?在介质选择、构型选择、热力控制等参数选取方面,如何使系统行为朝着我们更加期望的方向发展?更加合理地利用或有效地控制,其前提是对其发生、发展过程中各个阶段的特征、机制和规律有个清晰的认识。本报告基于上述背景简要介绍离散玻尔兹曼建模（Discrete Boltzmann Modeling,DBM）方法的研究进展。

关键词：燃烧多相流多尺度非平衡离散玻尔兹曼方法

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基于深度强化学习的湍流条件下钝体减阻主动流动控制

基于深度强化学习的湍流条件下钝体减阻主动流动控制

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：任峰 Jean Rabault 唐辉香港理工大学机械工程学系流固耦合研究中心西北工业大学航海学院 Department of Information Technology Norwegian Meteorological Institute Department of Mathematics University of Oslo

近年来人工智能的飞速发展为流体力学研究带来了许多新的思路和方法,尤其是在主动流动控制领域。Rabault等[*** Mech.(2019),vol.865,pp.281-302]报道了低雷诺数(Re=100)钝体绕流减阻问题中基于深度强化学习的主动流动控制方法的有效性... 详细信息

近年来人工智能的飞速发展为流体力学研究带来了许多新的思路和方法,尤其是在主动流动控制领域。Rabault等[*** Mech.(2019),vol.865,pp.281-302]报道了低雷诺数(Re=100)钝体绕流减阻问题中基于深度强化学习的主动流动控制方法的有效性。随着雷诺数的提高,流动呈现出更加复杂的非线性特征,包括多频、多模等,这些特征为主动流动控制的实施带来了巨大挑战。因此,在上述研究基础上,本文重点研究如何将深度强化学习用于弱湍流条件下(Re=1000)的主动流动控制。在本文所探讨的控制系统中,以圆柱周围速度传感器阵列监控的信号作为状态输入,以吹/吸射流激励器的瞬时速度作为动作输出,而状态输入和动作输出之间的关系,即控制策略,由深度强化学习智能体通过多次优化逐渐习得。为获得该流动体系的实时演化过程,本文采用基于格子玻尔兹曼方法的计算流体力学求解器,在GPU平台上实施并发运算以提高计算效率。经过约2000次的学习历程,深度强化学习智能体习得的策略逐渐达到收敛。在六次学习过程中,深度强化学习智能体获得了约30%的一致减阻效果,同时圆柱的横向升力波动也受到抑制。通过对部分习得策略进行分析发现,相比未控制的情况,在施加控制后圆柱后缘回流区域长度增大约2倍,尾流中雷诺应力也受到大幅抑制。此外,从尾流内监控点的湍流能谱可以看出,施加控制后原先未控制情况下能谱的波峰被消除,同时回流区内外的能量主要分布在低频区间。本文首次开展了深度强化学习在湍流问题中的应用,为后续解决充分发展湍流的控制难题提供了重要参考。

关键词：深度强化学习弱湍流条件钝体减阻主动流动控制

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利用隐式时间推进格式的高阶激波装配法加速收敛研究

利用隐式时间推进格式的高阶激波装配法加速收敛研究

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：陈贤亮符松清华大学航天航空学院

高阶激波装配法是研究高超声速边界层流动转捩的一个有效数值方法。与激波捕获法相比,激波装配法适用于处理与激波有关的相互作用,并且能够有效消除波后数值振荡。目前激波装配法在时间推进格式上主要使用显式推进,而可实现加速收敛的... 详细信息

高阶激波装配法是研究高超声速边界层流动转捩的一个有效数值方法。与激波捕获法相比,激波装配法适用于处理与激波有关的相互作用,并且能够有效消除波后数值振荡。目前激波装配法在时间推进格式上主要使用显式推进,而可实现加速收敛的隐式时间推进方法受到的关注较少,因为激波装配引起的动激波和动网格增加了隐式格式的构造难度。本文实现了两种隐式时间推进方法,分别是GMRES(广义最小残差法)和LR(线松弛),从而提高了利用5阶激波装配法的定常流场计算的收敛速度。所发展的求解器含有两种气体模型,包括量热完全气体和5组分热化学非平衡气体,后者主要适用于高超声速高焓流场。对于GMRES,其用于激波装配法时具有独特优势,因为其算法能够实现无矩阵化,从而避免了显式推导与激波运动有关的复杂导数。本文还实现并比较了三种不同的GMRES预处理方法,包括不做预处理、使用GMRES本身和使用静态迭代法进行预处理。在静态迭代法中,本文选择并扩展了线松弛方法,来对流场更新和激波运动进行解耦。所构造的含内迭代的线松弛格式求解成本低、收敛速度快、并且适合并行计算。本文针对高超声速钝头体绕流测试了三个典型算例,气体模型包括量热完全气体和热化学非平衡气体。数值结果表明,即使对数值刚性很大的热化学非平衡流动,不做预处理的GMRES也能相当平滑地收敛,但是在每个时间步所需的Krylov子空间基数超过了10。使用有效的预处理器能提高GMRES的收敛效率,从而降低单个时间步内所需的Krylov子空间基数。因此,与无预处理的GMRES相比,GMRES+LR的组合能够进一步提高计算效率;GMRES+GMRES的组合没有实现加速收敛,因为每次预处理时都需要计算Frechet导数、会耗费过多时间。线松弛格式在三个算例下都表现很好,它既可以单独作为时间推进方法,也可作为GMRES的预处理器。综合来看,与目前主要使用的显式/半隐式RK推进相比,LR-M(3)和GMRES+LR-M(1)的收敛速度能提高4到20倍。。

关键词：高超声速流动激波装配法 GMRES 热化学非平衡

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可压缩RT不稳定性的DBM建模与模拟

可压缩RT不稳定性的DBM建模与模拟

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第十一届全国流体力学学术会议

作者：赖惠林李德梅叶海燕陈璐林传栋甘延标许爱国福建师范大学数学与信息学院中山大学中法核工程与技术学院北华航天工业学院北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室

当轻流体支撑或者加速重流体时,界面处的扰动会随时间增长的物理现象称之为瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性。除了惯性约束聚变会出现RT不稳定性现象,在自然界和工业领域中也会出现该现象,如燃烧和化学反应过程、污染物扩散过程... 详细信息

当轻流体支撑或者加速重流体时,界面处的扰动会随时间增长的物理现象称之为瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性。除了惯性约束聚变会出现RT不稳定性现象,在自然界和工业领域中也会出现该现象,如燃烧和化学反应过程、污染物扩散过程、地质运动过程、洋流流动过程和超新星爆发过程等。人们在生产生活中对RT不稳定性的处理原则自然是:有利强之,有害抑之。精准、有效地强化或者抑制的前提是对其发生、发展各个阶段的特征、机制和规律有个清晰的认识。对于RT不稳定性的研究,以往大多采用宏观连续流体模型,侧重考查宏观层次的流动非平衡行为和效应,更底层的介观层次的热力学非平衡相关的动理学模式和行为特征尚未得到充分研究。然而,复杂问题往往需要多层次、多视角研究,一些中间(介观)尺度行为的研究也需要微观、介观和宏观建模相结合。本报告基于上述背景简要介绍离散玻尔兹曼建模(Discrete Boltzmann Modeling,DBM)方法在RT不稳定性的研究进展,重点关注不易用传统宏观流体模型描述的流体力学和热力学非平衡效应,理解流动和热动非平衡过程及其相互关联和响应,为宏观流体模型的改进和惯性约束聚变等相关工程的应用提供理论参考。

关键词：流体不稳定性非平衡效应多尺度离散玻尔兹曼方法

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