探索多尺度非平衡流動的輸運機理：索辰流體仿真軟件的應用與實踐
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2024-07-11
稀薄氣體與湍流中的非平衡流動現象
稀薄氣體流動中，氣體分子間的碰撞頻率較低，導致了分子分布函數偏離Maxwell-Boltzmann分布，從而表現出非平衡特性。湍流中，各種尺度的渦旋結構相互作用，能量在不同尺度間傳遞并耗散，導致了瞬態和局部非平衡現象。通過對這些現象的深入研究，我們能夠揭示非平衡流動的輸運機制，進而建立起微觀相互作用與宏觀流動特性的聯系。這對于理解和預測復雜流動行為，優化流體力學模型，提升航空航天器的設計和性能具有重要意義。
為了考慮多尺度非平衡流動效應，索辰科技開發了一系列先進的流體求解器，涵蓋多尺度跨流域仿真、高溫氣體熱/化學非平衡流動模擬、稀薄氣體仿真、格子Boltzmann方法（LBM）仿真和基于氣體動理學格式（GKS）的瞬態空氣動力學模擬。這些求解器特別適用于開展稀薄氣體和湍流的多尺度非平衡流動現象研究，探索非平衡流動輸運機制。
多尺度跨流域仿真
索辰的多尺度跨流域仿真采用了創新的Unified Gas-Kinetic Wave-Particle (UGKWP) 算法，能夠自適應地解決連續-稀薄流動問題。支持連續區、滑移區、過渡區和自由分子流區域的統一流動模擬。并且計算網格尺寸無需小于分子平均自由程，只需解析流場宏觀結構，從而降低計算復雜度，提高計算效率。
高溫氣體熱/化學非平衡流動模擬
在高速飛行條件下，氣動加熱導致的非平衡現象尤為顯著。索辰的高溫氣體熱/化學非平衡流動模擬通過支持雙溫度模型，分別求解平動-轉動能量和振動能量守恒方程，能夠更準確地模擬飛行器表面的熱載荷，評估熱防護系統設計。
此外，軟件支持化學非平衡模型，能夠模擬由于極高溫度和壓力導致的化學反應速率和成分變化，從而精確預測氣體的比熱、粘度、導熱性和輻射特性。
稀薄氣體仿真
索辰稀薄氣體仿真基于直接模擬蒙特卡羅方法（DSMC），通過模擬微觀粒子的運動和碰撞過程，解決高Knudsen數流動問題。這種方法適用于高空高超聲速航天器再入、火星著陸、衛星在軌氣動力等復雜情況。
自適應笛卡爾網格加密（AMR）技術進一步提高了模擬精度，確保網格單元尺寸小于分子平均自由程，同時支持VHS/VSS分子碰撞模型、內能松弛和化學反應模型，能夠模擬單組分和多組分混合物的熱平衡、熱非平衡、化學反應和電離過程。
格子Boltzmann方法（LBM）仿真
索辰高性能格子Boltzmann求解器實現了跨平臺大規模高精度流體仿真，具有顯著的技術優勢。采用四階耗散精度的cumulant LBM方法，求解器在數值穩定性和精度方面表現出色。采用單套分布函數的碰撞遷移算法大幅減少內存使用，使得在24GB顯存的GPU上能夠進行1億網格的計算。快速多層級局部加密網格生成技術在30秒內生成五千萬網格并支持七層加密、近壁邊界層網格加密寬度可調。
求解器支持Linux和Windows操作系統，兼容CPU、GPU和國產DCU并行計算環境，能夠在HPC集群上進行跨節點和多GPU的大規模計算。還支持Smagorinsky和QR等LES亞格子尺度湍流模型，為多尺度非平衡湍流高精度模擬提供有力支持。
基于氣體動理學格式（GKS）的瞬態空氣動力學模擬
在探索多尺度非平衡流動現象時，氣體動理學格式（Gas-kinetic scheme, GKS）提供了一種更符合物理實質的數值模擬框架。GKS是基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）模型，可從介觀尺度準確描述流體的宏觀特性。此方法特別適合瞬態流動分析，能夠捕捉流體動力學中的細微變化，為理解和預測多尺度非平衡流動行為提供了強大的工具。
索辰基于GKS瞬態空氣動力學模擬工具具有兩種核心求解器：功能全面的笛卡爾網格求解器和全速域非結構求解器。這些求解器結合了豐富的物理模型、先進的數值算法和前后處理功能，以適應不同的工程需求。笛卡爾網格求解器采用Cut-cell技術，能夠適應任意復雜的表面網格，無需清理幾何細節。它能夠快速生成空間網格，通過動態自適應AMR技術，自動根據流體特性動態調整網格密度，以捕捉流場細節。這種技術平衡了計算開銷與求解精度之間的矛盾，適用于處理高度動態的流動場景。全速域非結構求解器支持基于斜率壓縮因子的高空間精度和高時間推進精度的計算（三階、四階精度），使其在處理非平衡、高速和復雜幾何條件下的多尺度流動時顯示出強大的性能。
通過索辰流體仿真軟件的多尺度仿真求解能力，我們可以研究稀薄氣體和湍流中的多尺度非平衡流動現象。這將增強我們對復雜非平衡流動形成機理的認識，進而為航空航天關鍵技術奠定堅實的理論基礎。未來，隨著計算技術和物理模型的不斷進步，索辰將繼續推動流體仿真技術的發展，為解決更加復雜的工程問題貢獻力量。
