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第九届全国流体力学学术会议

作者：许爱国张广财北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京应用物理与计算数学研究所

非平衡化学反应流广泛于自然界和工程物理等领域。因为基于Navier-Stokes的传统宏观流体建摸不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为,而微观粒子模拟在时间和空间尺度方面往往又不能实际需求,所以包含大量微介观结构、复杂非平衡行为的... 详细信息

非平衡化学反应流广泛于自然界和工程物理等领域。因为基于Navier-Stokes的传统宏观流体建摸不足以描述系统内极其复杂的非平衡行为,而微观粒子模拟在时间和空间尺度方面往往又不能实际需求,所以包含大量微介观结构、复杂非平衡行为的化学反应流系统的物理建模、算法设计与信息提取均存在较强的挑战性!因为非平衡统计力学是联系微观运动规律和宏观运动规律的桥梁,所以在Boltzmann方程基础上经过两次重要的粗粒化物理建模得到的离散Boltzmann方法(Discrete Boltzmann Method,DBM)正在成为燃烧等非平衡、复杂化学反应流系统的一种全新的动理学描述方法、建模方法和分析方法。本报告综述我们课题组近年来在这一领域的主要进展。内容重点体现:(1)从数学建模型角度,DBM模型与传统流体模型的唯一差异就是使用离散Boltzm方程取代原来的Navier--Stokes方程;但从物理建模角度,一个DBM模型相当于一个传统流体模型外加一个关于热动非平衡效应的粗粒化模型。(2)通过DBM提供的信息,可以建立"无组织动量流"、"无组织能量流"、化学反应速率与熵增率之间的解析关系式。(3)DBM所提供的非平衡特征已经用于特征区域真是分布函数主要特征的恢复、复杂流体系统内各种界面的物理甄别与追踪、相变研究中划分"亚稳相分解"和"相畴增长"两个阶段的物理判据、Rayleigh-Taylor不稳定性研究中划分可压效应两个阶段的物理判据,等等。(4)除了可以从更基本的层面理解相应物理系统的特征、机制和规律外,这类研究结果可以为现有程序或软件中宏观模型的改进(例如修正项的构造)提供物理参考。

关键词：化学反应流动理学模型 Boltzmann方程非平衡

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一类非线性Burgers方程组的基于Hopf-Cole变换的直接间断Galerkin有限元方法

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高等学校计算数学学报 2015年第2期37卷 141-155页

作者：赵国忠蔚喜军包头师范学院数学科学学院北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室

1引言Burgers方程可以作为描述许多物理现象的数学模型,如交通流、激波、扰流问题和连续的随机过程.它还可以用于检验数值方法的效率.由于其具有较广的实用范围,一些学者对其近似解进行了较多的研究.如Adomian分解方法、混合有限差分和... 详细信息

1引言Burgers方程可以作为描述许多物理现象的数学模型,如交通流、激波、扰流问题和连续的随机过程.它还可以用于检验数值方法的效率.由于其具有较广的实用范围,一些学者对其近似解进行了较多的研究.如Adomian分解方法、混合有限差分和边界元方法、样条有限元方法、精确显式有限差分方法、Douglas有限差分格式,直接变分方法和变分迭代方法被用于Burgers方程近似解的研究.Hopf-Cole变换是研究Burgers方程较好的分析工具,利用它可以获得Burgers方程一些精确解.近年来,人们意识到该变换也是一个很好的数值工具并利用其得到了一

关键词： Burgers’ equations DDG finite element method Hopf-Cole transformation Heat equation

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二维柱坐标系辐射输运方程保球对称的离散纵标格式

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计算数学 2015年第3期37卷 299-315页

作者：宋鹏成娟北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100094 北京应用物理与计算数学研究所北京100094

离散纵标格式是计算辐射输运方程的常用格式之一.但是,传统的离散纵标格式求解二维柱坐标系辐射输运方程模拟一维球对称问题时,会出现明显的非对称现象,球对称性被破坏.针对该问题,本文分析了传统离散纵标格式不能够保持球对称性的原因... 详细信息

离散纵标格式是计算辐射输运方程的常用格式之一.但是,传统的离散纵标格式求解二维柱坐标系辐射输运方程模拟一维球对称问题时,会出现明显的非对称现象,球对称性被破坏.针对该问题,本文分析了传统离散纵标格式不能够保持球对称性的原因,提出了空间基于柱坐标系、方向基于球坐标系的辐射输运方程,并对该方程设计了新的离散纵标格式,从理论上证明了当空间网格取球对称剖分时该离散格式能够保持一维球对称性的充分必要条件.通过对真空球区域辐射输运、与物质耦合辐射输运等球对称算例的数值模拟,验证了该格式的保球对称性,球对称误差能够达到机器精度.非对称辐射驱动模型以及非对称网格剖分条件下的数值模拟等算例也取得了较好的结果.

关键词：辐射输运离散纵标格式柱坐标系球对称

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松弛方法在计算凝聚炸药爆轰问题中的应用

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爆炸与冲击 2015年第6期35卷 785-791页

作者：陈秋阳于明中国工程物理研究院研究生部北京100088 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京100094

利用松弛近似,将非线性的凝聚炸药爆轰控制方程转化为线性的松弛方程组,并采用五阶WENO格式和五阶线性多步显隐格式对线性松弛方程组进行空间方向和时间方向的离散,由此建立具有高精度和高分辨率性质的计算凝聚炸药爆轰的松弛方法。建... 详细信息

利用松弛近似,将非线性的凝聚炸药爆轰控制方程转化为线性的松弛方程组,并采用五阶WENO格式和五阶线性多步显隐格式对线性松弛方程组进行空间方向和时间方向的离散,由此建立具有高精度和高分辨率性质的计算凝聚炸药爆轰的松弛方法。建立的松弛方法可以避免求解Riemann问题及计算非线性通量的Jacobi矩阵,同时无需分裂处理反应源项。通过对凝聚炸药的平面一维定常爆轰波结构及球面一维聚心、散心爆轰起爆和传播过程的数值模拟,验证了所建立的松弛方法能够很好地计算凝聚炸药爆轰问题。

关键词：爆炸力学松弛方法高分辨格式凝聚炸药爆轰波

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数值模拟领域并行编程模型的要素与实例研究

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中国科学：信息科学 2015年第3期45卷 385-397页

作者：莫则尧张爱清刘青凯曹小林北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100094

本文面向高性能数值模拟,分析了通用并行编程模型的薄弱环节,凝练形成了通用并行编程模型栈.在此基础上,提出领域并行编程模型,讨论了模型的数据结构、计算模式、构件模型、编程框架等构成要素和要素间的内在关联,并以JASMIN(J’s Adapt... 详细信息

本文面向高性能数值模拟,分析了通用并行编程模型的薄弱环节,凝练形成了通用并行编程模型栈.在此基础上,提出领域并行编程模型,讨论了模型的数据结构、计算模式、构件模型、编程框架等构成要素和要素间的内在关联,并以JASMIN(J’s Adaptive Structured Mesh application INfrastructure)框架为例,验证了模型的技术可行性和有效性.领域并行编程模型将显著提升高效并行应用软件的研发效率,具有重要意义.

关键词：数值模拟应用软件领域并行编程模型并行计算模型 JASMIN框架

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复杂流动过程的DBM建模、模拟与分析研究进展

复杂流动过程的DBM建模、模拟与分析研究进展

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第十六届中国交叉科学会议

作者：许爱国张广财北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 100088 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京 100871 北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室北京 100088

自然界、国防与工业领域诸多问题的研究依托于复杂流体系统的建模与模拟。这类系统的物理建模、算法设计与特征分析均存在较强的挑战性。复杂的受力与弛豫导致丰富、复杂的流动与热动非平衡行为与效应。在爆燃、爆轰等复杂过程中,化学... 详细信息

自然界、国防与工业领域诸多问题的研究依托于复杂流体系统的建模与模拟。这类系统的物理建模、算法设计与特征分析均存在较强的挑战性。复杂的受力与弛豫导致丰富、复杂的流动与热动非平衡行为与效应。在爆燃、爆轰等复杂过程中,化学反应引起的放热、压缩甚至冲击等过程的介入进一步加剧了系统行为的复杂程度。随着对非平衡相变、冲击、爆燃、爆轰等复杂物理过程认知需求的提高和对系统主要特征、粗线条行为的逐渐了解和掌握,系统内的各种微介观结构与非平衡效应当前正在成为人们日益关注的热点。在Boltzmann 方程基础上经过两次重要的粗粒化物理建模得到的离散Boltzmann 方法(DiscreteBoltzmann Method,DBM)正在成为爆轰等非平衡复杂流动过程的一种全新的动理学描述、建模、模拟和分析方法。本报告综述我们课题组近年来在这一领域的主要进展。内容重点体现：(1)从数学建模角度,DBM 模型与传统流体模型的唯一差异就是使用离散Boltzmann 方程取代原来的Navier-Stokes 方程;但从物理建模角度,一个DBM 模型相当于一个传统流体模型外加一个关于热动非平衡效应的粗粒化模型。(2)通过DBM 提供的信息,可以建立“无组织动量流”、“无组织能量流”、化学反应速率与熵增率之间的关系式。(3)DBM 所提供的非平衡特征已经用于特征区域真实分布函数主要特征的恢复、复杂流体系统内各种界面的物理甄别与追踪、相变动理学研究中划分“亚稳相分解”和“相畴增长”两个阶段的物理判据、Rayleigh-Taylor 不稳定性研究中划分可压效应两个阶段的物理判据。(4)在爆轰波附近,黏性和热传导降低局域热动非平衡,但增强整体热动非平衡效应。

关键词：复杂流体非平衡动理学建模复杂物理场分析

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非预混连续旋转爆轰发动机冷流场的大涡模拟研究

非预混连续旋转爆轰发动机冷流场的大涡模拟研究

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第九届全国流体力学学术会议

作者：周蕊武丹北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室中国航天科工集团第九总体设计部

连续旋转爆轰发动机(CRDE)在航空航天推进技术领域有很好的应用价值和发展潜力。真实CRDE中燃料/氧化剂分开喷注,它们的混合过程极为复杂,并会显著影响爆轰特性。近期国际上开展的以RANS为主的非预混研究主要给出流场时均特征,缺乏对真... 详细信息

连续旋转爆轰发动机(CRDE)在航空航天推进技术领域有很好的应用价值和发展潜力。真实CRDE中燃料/氧化剂分开喷注,它们的混合过程极为复杂,并会显著影响爆轰特性。近期国际上开展的以RANS为主的非预混研究主要给出流场时均特征,缺乏对真实CRDE中湍流混合等非定常过程及其物理机理的揭示。本文采用大涡模拟方法,对非预混CRDE中燃料和氧化剂的混合过程及其主要机理开展深入研究。研究结果表明,非预混CRDE流场中存在欠膨胀特征、大尺度涡结构,以及回流区等复杂流动现象,其中由于K-H不稳定性产生的大尺度湍流涡结构是促进氢/氧混合的主要机制。此外,本文还考察了氧气喷注位置、氢气喷注角度等因素对流场结构和混合特征的影响。研究结果表明,不同喷注策略会影响射流剪切层形态、涡尺度,以及回流区分布等,进而影响氢气和氧气射流的混合过程和混合程度。本文结果可直接为真实CRDE喷注设计提供参考。

关键词：连续旋转爆轰发动机非预混喷注大涡模拟混合特性喷注构型

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粒子输运方程的子网格平衡格式的稳定性和收敛性

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计算数学 2015年第4期37卷 439-448页

作者：杨容袁光伟朱少红北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室北京100094 南开大学数学科学学院天津300071

本文研究四边形网格上求解粒子输运方程的有限体积格式,其中角方向变量采用离散纵标(Sn)方法,空间离散采用子网格平衡(SCB)格式.利用能量估计方法,证明了在正交网格上该格式的稳定性和离散解的收敛性.数值实验结果验证了格式的稳定性和... 详细信息

本文研究四边形网格上求解粒子输运方程的有限体积格式,其中角方向变量采用离散纵标(Sn)方法,空间离散采用子网格平衡(SCB)格式.利用能量估计方法,证明了在正交网格上该格式的稳定性和离散解的收敛性.数值实验结果验证了格式的稳定性和离散解的收敛性.

关键词：粒子输运方程子网格平衡格式稳定性收敛性

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可压流体瑞利泰勒不稳定性离散Boltzmann建模

可压流体瑞利泰勒不稳定性离散Boltzmann建模

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第十六届中国交叉科学会议

作者：赖惠林许爱国张广财李德梅北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088 福建师范大学数学与计算机科学学院福州350007 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京100871 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088 福建师范大学数学与计算机科学学院福州350007

本文发展了用于研究可压流体瑞利泰勒(RT)不稳定性的含外力的离散Boltzmann模型(DBM),并对热Couette流问题进行数值模拟并与Riemann解析解进行比较,结果表明该模型可适用可压流体数值模拟.利用该模型对界面间断的可压流体RT不稳定性进... 详细信息

本文发展了用于研究可压流体瑞利泰勒(RT)不稳定性的含外力的离散Boltzmann模型(DBM),并对热Couette流问题进行数值模拟并与Riemann解析解进行比较,结果表明该模型可适用可压流体数值模拟.利用该模型对界面间断的可压流体RT不稳定性进行数值模拟,得到界面初始扰动发展成蘑菇状图形的基本过程.数值结果表明,DBM可用于可压流体RT不稳定性问题的数值研究.

关键词：可压缩流体瑞利泰勒不稳定性离散玻尔兹曼模型

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流体不稳定性系统的离散Boltzmann方法研究

流体不稳定性系统的离散Boltzmann方法研究

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中国物理学会2016年秋季会议

作者：陈锋许爱国张广财山东交通学院航空学院济南 250357 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京 100088 北京大学应用物理与技术研究中心和高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室北京 100871 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京 100088

利用多松弛离散Boltzmann方法(Discrete Boltzmann Method,DBM)研究二维RT不稳定性问题,同时从宏观和非平衡两个角度探究粘性、热传导和Prandtl数的影响。宏观上,粘性和热传导均在再加速阶段展现出显著的抑制作用,这种抑制作用主要通过... 详细信息

利用多松弛离散Boltzmann方法(Discrete Boltzmann Method,DBM)研究二维RT不稳定性问题,同时从宏观和非平衡两个角度探究粘性、热传导和Prandtl数的影响。宏观上,粘性和热传导均在再加速阶段展现出显著的抑制作用,这种抑制作用主要通过抑制Kelvin-Helmholtz不稳定性的发展来实现。

关键词：离散Boltzmann方法不稳定性系统非平衡

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