探索多尺度非平衡流动的输运机理：索辰流体仿真软件的应用与实践
索辰科技 索辰科技 2024年07月11日 15:30 上海 听全文
近日，第二十六届中国科协年会主论坛上发布了2024重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。中国力学学会推荐的“多尺度非平衡流动的输运机理”入选2024十大前沿科学问题。
稀薄气体与湍流中的非平衡流动现象
稀薄气体流动中，气体分子间的碰撞频率较低，导致了分子分布函数偏离Maxwell-Boltzmann分布，从而表现出非平衡特性。湍流中，各种尺度的涡旋结构相互作用，能量在不同尺度间传递并耗散，导致了瞬态和局部非平衡现象。通过对这些现象的深入研究，我们能够揭示非平衡流动的输运机制，进而建立起微观相互作用与宏观流动特性的联系。这对于理解和预测复杂流动行为，优化流体力学模型，提升航空航天器的设计和性能具有重要意义。
为了考虑多尺度非平衡流动效应，索辰科技开发了一系列先进的流体求解器，涵盖多尺度跨流域仿真、高温气体热/化学非平衡流动模拟、稀薄气体仿真、格子Boltzmann方法（LBM）仿真和基于气体动理学格式（GKS）的瞬态空气动力学模拟。这些求解器特别适用于开展稀薄气体和湍流的多尺度非平衡流动现象研究，探索非平衡流动输运机制。
多尺度跨流域仿真
索辰的多尺度跨流域仿真采用了创新的Unified Gas-Kinetic Wave-Particle (UGKWP) 算法，能够自适应地解决连续-稀薄流动问题。支持连续区、滑移区、过渡区和自由分子流区域的统一流动模拟。并且计算网格尺寸无需小于分子平均自由程，只需解析流场宏观结构，从而降低计算复杂度，提高计算效率。
高温气体热/化学非平衡流动模拟
在高速飞行条件下，气动加热导致的非平衡现象尤为显著。索辰的高温气体热/化学非平衡流动模拟通过支持双温度模型，分别求解平动-转动能量和振动能量守恒方程，能够更准确地模拟飞行器表面的热载荷，评估热防护系统设计。
此外，软件支持化学非平衡模型，能够模拟由于极高温度和压力导致的化学反应速率和成分变化，从而精确预测气体的比热、粘度、导热性和辐射特性。
稀薄气体仿真
索辰稀薄气体仿真基于直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC），通过模拟微观粒子的运动和碰撞过程，解决高Knudsen数流动问题。这种方法适用于高空高超声速航天器再入、火星着陆、卫星在轨气动力等复杂情况。
自适应笛卡尔网格加密（AMR）技术进一步提高了模拟精度，确保网格单元尺寸小于分子平均自由程，同时支持VHS/VSS分子碰撞模型、内能松弛和化学反应模型，能够模拟单组分和多组分混合物的热平衡、热非平衡、化学反应和电离过程。
格子Boltzmann方法（LBM）仿真
索辰高性能格子Boltzmann求解器实现了跨平台大规模高精度流体仿真，具有显著的技术优势。采用四阶耗散精度的cumulant LBM方法，求解器在数值稳定性和精度方面表现出色。采用单套分布函数的碰撞迁移算法大幅减少内存使用，使得在24GB显存的GPU上能够进行1亿网格的计算。快速多层级局部加密网格生成技术在30秒内生成五千万网格并支持七层加密、近壁边界层网格加密宽度可调。
求解器支持Linux和Windows操作系统，兼容CPU、GPU和国产DCU并行计算环境，能够在HPC集群上进行跨节点和多GPU的大规模计算。还支持Smagorinsky和QR等LES亚格子尺度湍流模型，为多尺度非平衡湍流高精度模拟提供有力支持。
基于气体动理学格式（GKS）的瞬态空气动力学模拟
在探索多尺度非平衡流动现象时，气体动理学格式（Gas-kinetic scheme, GKS）提供了一种更符合物理实质的数值模拟框架。GKS是基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）模型，可从介观尺度准确描述流体的宏观特性。此方法特别适合瞬态流动分析，能够捕捉流体动力学中的细微变化，为理解和预测多尺度非平衡流动行为提供了强大的工具。
索辰基于GKS瞬态空气动力学模拟工具具有两种核心求解器：功能全面的笛卡尔网格求解器和全速域非结构求解器。这些求解器结合了丰富的物理模型、先进的数值算法和前后处理功能，以适应不同的工程需求。笛卡尔网格求解器采用Cut-cell技术，能够适应任意复杂的表面网格，无需清理几何细节。它能够快速生成空间网格，通过动态自适应AMR技术，自动根据流体特性动态调整网格密度，以捕捉流场细节。这种技术平衡了计算开销与求解精度之间的矛盾，适用于处理高度动态的流动场景。全速域非结构求解器支持基于斜率压缩因子的高空间精度和高时间推进精度的计算（三阶、四阶精度），使其在处理非平衡、高速和复杂几何条件下的多尺度流动时显示出强大的性能。
通过索辰流体仿真软件的多尺度仿真求解能力，我们可以研究稀薄气体和湍流中的多尺度非平衡流动现象。这将增强我们对复杂非平衡流动形成机理的认识，进而为航空航天关键技术奠定坚实的理论基础。未来，随着计算技术和物理模型的不断进步，索辰将继续推动流体仿真技术的发展，为解决更加复杂的工程问题贡献。#航空航天装备# #无人驾驶# #军工龙头#