稀薄气体流动的动理学研究

1、成果简介

   高温高速稀薄气体流动偏离平衡态分布，导致连续介质理论失效，基于传统气体动力学的研究成果不再适用，动理学分析至关重要。特别是各国争相发展的临近空间飞行器将长时间在稀薄大气中高机动飞行，飞行器的气动力和气动热如果分析不当，将不可能按预定航线飞行，甚至有可能象哥伦比亚号航天飞机因防热瓦的问题而机毁人亡。稀薄气体流动分析必须求解Boltzmann方程，但是该方程极其复杂并难以求解，造成稀薄气体流动研究的困难。        

实验室看准从微观上模拟大量分子运动是稀薄气体流动研究的突破口，在采用统计模拟的DSMC方法基础上，提出了信息保存（IP）方法、大网格DSMC方法，并发展成为大网格IP方法，使得粒子模拟方法的计算效率得到几个数量级的提高。在此基础上，通过移植大规模的并行程序，一方面对飞行器在稀薄流动区域作了大速度范围、宽飞行高度的三维气动分析，得到了诸如平板在全流域和全速域的阻力特性。另一方面，研究稀薄流动的多物理效应，包括稀薄气体效应、可压缩效应和粘性效应，分析气体流体中的间断现象和流动稳定性机理，为流体力学的发展增加了内涵。        

实验室在稀薄气体流动研究特别是计算方法方面的研究引起了各国研究者的高度关注。自2004年以来至少有五本专著介绍IP方法（2006年以来两本），部分计算结果已经成为其它计算方法的参考标准。俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所主动与实验室签订合作协议。实验室还发起了国际非平衡流研讨会，自2007年以来已在大陆和港澳成功举办了三届，第四届将于2010年12月在孟加拉国举行。        

2、主要成果和创新点

（1）实验室在原有的DSMC研究积累和原创的信息保存（IP）法的基础上，提出了IP方法的理论和大网格的DSMC方法，极大地促进了粒子模拟方法的发展。IP方法在成功解决粒子模拟等温流动的统计涨落难题后，遇到了进一步发展的瓶颈。通过改变原有认识，成功地运用Boltzmann方程和Maxwell的输运方程建立了IP信息的输运方程，并对方程中的统计项建立了计算模型，统一了目前所有的IP格式，成功解决了IP方法的理论问题。IP方法已能模拟弱激波和热迁移等困难问题。相关成果正在整理中。实验室还提出了大网格DSMC方法：通过计算DSMC模拟过程中的瞬时宏观流场，在粒子碰撞时引入流场的梯度信息，成功地降低了DSMC模拟对计算网格大小的限制。对于三维模拟，新发展的DSMC方法可以采用比原有要求大10倍的网格获得同样精度的结果，计算效率可以增加1000倍。         

（2）由于计算和实验条件的限制，国际上对于飞行器稀薄气体流动研究主要集中在高速飞行器再入过程中的气动性能。实验室根据我国对近空间飞行器的发展规划和具有的计算能力，首次同时对多个飞行器外形、近空间高段范围（70-100km）、宽速度范围（马赫数5-25）的稀薄气体流动作了大量的计算和分析。突破了以前只对具体飞行器个别飞行条件进行分析的传统，发展到了飞行器稀薄流动规律研究和优化分析的阶段。         

（3）运用动理学研究手段揭示了部分流动的微观机理。实验室运用DSMC和IP方法分析了激波等物理结构和Rayleigh-Bénard对流的微观机理。捕捉激波和接触间断是计算流体力学的关键。但是计算流体力学将激波和接触间断作为跳跃间断是流体在无粘情况下的近似，缺乏动理学的支持。动理学研究表明，激波具有稳定的结构，在连续流领域可以将激波近似为跳跃间断；而接触间断随时间扩散，不具有稳定性，不能将接触间断处理为定常的跳跃间断。研究结果对发展动理学的计算方法有实际意义。而Rayleigh-Bénard对流是非线性系统研究的一个标准模型。通过动理学研究，发现RB对流从热传导到对流的转变过程中存在Nu数的潜伏阶段。进一步对流动中的流场时空关联的研究，发现流场密度波动的空间关联与Rayleigh-Bénard对流出现对流图像结构有密切联系。这些微观层次上的研究对流动的稳定性认识将起重要作用。         

3、重要的引用和评价

（1）国际著名的Boltzmann方程研究专家Carlo Cercignani在他最近的两本专著中，都把IP方法计算获得的微尺度流动研究结果作为其它方法比较的依据。这两本专著为：Slow rarefied flows: theory and application of micro-electro-mechanical systems, ISBN 0387221972, 2006                                 和                                  。          Advances in multiphysics simulation and experimental testing of MEMS, ISBN 0387221972, 2008

（2）在美国Lawrence Livermore国家实验室和Georgia Institute of Technology的后续研究工作中，指出“The information preserving DSMC (IP-DSMC), originally proposed by Fan and Shen… To date, the flux splitting IP-DSMC technique appears to be the most accurate and generally applicable of the IP-DSMC techniques.”(Masters ND, Ye WJ. Octant flux splitting information preservation DSMC method for thermally driven flows. Journal of Computational Physics. 2007, 226: 2044-2062)。         

（3）新世纪百千万人才工程                                 (国家级人选)（2007），国际计算流体力学专业委员会成员（2007年起）、国际稀薄气体大会国际咨询委员会委员（2008年起），AIAA国际空天飞机和高超声速系统及技术会议主席团成员（2009年起）。         

4、成果清单