针对跨尺度流动的APDSMC流场检测方法技术

一种针对跨尺度流动的APDSMC流场检测方法，通过对流场初始化后采用匀速运动的粒子移动模型，利用矢量叉积判断粒子移动后在网格中的变化逻辑，得到模拟粒子更新后的位置信息和网格拓扑信息；然后将基于网格的粒子编号和基于粒子的粒子编号进行映射；最后通过模拟粒子碰撞对网格中的粒子速度分布进行更新，并通过对流场信息采样后实现流场检测；本发明专利技术基于渐进保持的方案来处理不同区域的计算需求，能够更智能的选择不同计算域的碰撞内核，从而加速原DSMC方法，使得新算法能够计算尺度跨度更大，更加稠密的算例条件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种流体力学领域的技术，具体是一种针对跨尺度流动的渐进保持(Asymptotic Preserving)的直接模拟蒙特卡罗(DSMC)流场检测方法。
技术介绍
随着航空航天技术的不断发展，人们对更高更快的飞行器有着越来越深的需求。然而一方面随着飞行器的高度和速度不断增加，传统数值模拟技术(CFD)难以胜任新飞行器在新飞行条件下的初研任务；另一方面新飞行器的研究人员又亟需大量的数值模拟以解决复杂的流动问题。在这一背景下，DSMC算法得到了蓬勃发展。DSMC算法能够准确模拟高超声速稀薄流体下的流动力和流动热问题，是解决新型飞行器设计现有问题的有力备选方案之一。但同时我们发现当飞行处在气动多尺度跨越的地区，传统CFD仍然因为精度问题不能使用，而DSMC则会由于计算量的问题难以使用。现有技术中DSMC与EPSM混合方法是解决DSMC在气动多尺度流域计算速度问题的主要解决方案。该方案认识到在连续流区分子碰撞可以由当地Maxwell分布来模拟，从而大大减少了DSMC算法所需时间，因此通过对比碰撞数来对流场进行简单分区。但是这种简单的混合方法存在不能正确识别计算区域条件，过渡区方法选择困难等问题，使得该混合方法存在一系列计算精度和计算效率等问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种针对跨尺度流动的APDSMC流场检测方法，基于渐进保持(AP，asymptotic preserving)思路的方案来处理不同区域的计算需求，能够更智能的选择不同计算域的碰撞内核，从而加速原DSMC方法，使得新算法能够计算尺度跨度更大，更加稠密的算例条件。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种针对跨尺度流动的APDSMC流场检测方法，通过对流场初始化后采用匀速运动的粒子移动模型，利用矢量叉积判断粒子移动后在网格中的变化逻辑，得到模拟粒子更新后的位置信息和网格拓扑信息；然后将基于网格的粒子编号和基于粒子的粒子编号进行映射；最后通过模拟粒子碰撞对网格中的粒子速度分布进行更新，并通过对流场信息采样后实现流场检测。所述的流场初始化包括：MPI(消息传递编程接口，Message Passing Interface)初始化操作和初始化流场操作。所述的MPI初始化操作是指：调用MPICH2库函数启动参与计算的处理器。所述的MPICH2库函数通过在MPICH官网获得；所述的初始化流场操作包括：a.计算读入网格的体积和拓扑结构；b.布撒模拟粒子并进行编号；c.计算边界条件的初始信息。所述的流场初始化能够实现通过MPICH2库函数对需要的计算处理器提出指令，同时流场初始化后，给定了流场初值，使得计算可以沿着时间方向进行。所述的模拟粒子碰撞，采用渐进保持(AP)方式实现，具体步骤包括：第一步，对针对的跨尺度流动问题的控制方程，即Boltzmann方程进行刚性源项分裂；所述的Boltzmann方程为：其中：Q(f,f)为碰撞项，t描述时间；x描述位置；f为所描述全空间的速度分布函数；υ为所描述全空间的速度；ε为方程无量纲后的特征常数，即努森数。所述的刚性源项，即为Boltzmann方程的碰撞项Q(f,f)，由于分子之间的碰撞受到诸多因素的影响，且当流动处于非平衡态时很难在时间尺度上进行模化处理，所以只能用较小的时间步长来解析这一源项。由于处理的困难，所以称之为刚性源项。所述的刚性源项分裂首先使用BGK(Bhatnagar‐Gross‐Krook模型)惩罚方法，具体为：其中：t描述时间；f为所描述全空间的速度分布函数；ε为方程无量纲后的特征常数，即努森数；β为惩罚系数；Q(f,f)为碰撞项；P(f)为惩罚源项；使用这一分裂，可以将刚性源项分为刚性和非刚性两部分。第二步，对分裂后的刚性源项采用连续罚方法，得到优化后的数值模型；所述的连续罚方法是指：对分裂后的刚性部分使用连续罚函数：其中：为速度分布推进的松弛系数，L为惩罚次数，计算中罚系数选择β＞σ-以确保保正性，M**为基于网格内部统计信息的Maxwell分布，最后得到的优化后的求解Boltzmann方程的数值模型方程为：其中：fn为第n步网格内的速度分布，f*为过渡速度分布，υ为粒子速度，b1，b2，b3为碰撞的分离系数，β*为基于f*的惩罚系数，为约化碰撞项，fn+1为第n+1步网格内的速度分布。所述的罚系数基于σ-精度选择，从而根本上实现了算法自适应的功能；第三步，将优化后的数值模型转换为算法并应用到DSMC中的碰撞部分和松弛项部分，其中：碰撞部分采用DSMC设计的VHS碰撞模型进行计算，松弛项部分采用Pullin的EPSM内核计算。所述的对流场信息采样，采用流体宏观变量与分子微观变量的统计学关系求解，这一关系依赖分子的混沌假设，本专利技术将模拟粒子视作真实分子，利用模拟粒子的速度和位置信息进行采样统计得到流场信息。本专利技术涉及一种实现上述方法的系统，包括：DSMC模块、并行MPI模块以及AP碰撞内核模块，其中：DSMC模块与AP碰撞模块相连以传输模拟粒子的速度、位置和拓扑信息并改变碰撞模型，DSMC模块与MPI模块相连并传输网格拓扑信息、粒子的速度、位置和拓扑信息以实现并行处理状态。技术效果与现有技术相比，本专利技术在跨尺度流动问题中，时间缩短至十分之一左右，同时计算精度保持基本不变。附图说明图1为本专利技术流程示意图；图2为测喷计算条件示意图；图中：A区域x为0～0.060m，B区域x为0.060～0.065m，C区域x为0.065～0.200m；图3为侧碰流场和分裂系数云图；图中：SR为分离区、RZ为回流区、BaS为桶形激波、BoS为弓形激波、MD为马赫盘；图4为实施例分裂系数云图；图中：a为系数b2云图、b为系数b3云图；图5为实施例平板压力系数线图。具体实施方式本实施例中所使用的集群为上海交大超算，cpu型号Intel Xeon CPU E5‐2670，操作系统环境Red Hat Enterprise Linux Server release 6.3，编译器选择Intel MPI 5.0.1‐Fortran Compiler。使用核数为8。本实施例是计算一个跨尺度流动的平板侧喷问题，用于对比APDSMC和DSMC方法在速度方面的优势。如图2所示，在所示计算域中做三块网格，网格节点数分别是241×401，21×401，541×401。均匀分布于流场当中分别设置来流条件和喷流条件如表所示：表标准算例计算参数本实施例中最后计算得到流线图和压力等值线图如图3所示：使用本方法能够抓住一个侧喷流场当中经典的流场结构，包括SR分离区、RZ回流区、BaS桶形激波、BoS弓形激波、MD马赫盘，表征算法改进不失流场计算方法的整体准确性。本实施例中最后计算得到分裂系数云图如图4所示：在跨尺度流场当中系数b2与b3的分布，表征新算法在跨尺度流场中有着自适应能力。本实施例中最后计算得到的平板压力系数线图如图5所示：平板压力的压力线图，通过更精确的线条对比证明新算法的精度不低于传统DSMC算法。本实施例最后计算时间传统DSMC是APDSMC方法的8.1倍本实施例证明在精度保证不变的情况下，APDSMC大大加速了DSMC方法的速度。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对跨尺度流动的APDSMC流场检测方法，其特征在于，通过对流场初始化后采用匀速运动的粒子移动模型，利用矢量叉积判断粒子移动后在网格中的变化逻辑，得到模拟粒子更新后的位置信息和网格拓扑信息；然后将基于网格的粒子编号和基于粒子的粒子编号进行映射；最后通过模拟粒子碰撞对网格中的粒子速度分布进行更新，并通过对流场信息采样后实现流场检测。

【技术特征摘要】
1.一种针对跨尺度流动的APDSMC流场检测方法，其特征在于，通过对流场初始化后采用匀速运动的粒子移动模型，利用矢量叉积判断粒子移动后在网格中的变化逻辑，得到模拟粒子更新后的位置信息和网格拓扑信息；然后将基于网格的粒子编号和基于粒子的粒子编号进行映射；最后通过模拟粒子碰撞对网格中的粒子速度分布进行更新，并通过对流场信息采样后实现流场检测。2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是，所述的流场初始化包括：MPI初始化操作和初始化流场操作，其中：所述的MPI初始化操作是指：调用MPICH2库函数启动参与计算的处理器；所述的初始化流场操作包括：a.计算读入网格的体积和拓扑结构；b.布撒模拟粒子并进行编号；c.计算边界条件的初始信息。3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是，所述的模拟粒子碰撞，采用渐进保持方式实现，具体步骤包括：第一步，对针对的跨尺度流动问题的控制方程，即Boltzmann方程进行刚性源项分裂；第二步，对分裂后的刚性源项采用连续罚方法，得到优化后的数值模型；第三步，将优化后的数值模型转换为算法并应用到DSMC中的碰撞部分和松弛项部分，其中：碰撞部分采用DSMC设计的VHS碰撞模型进行计算，松弛项部分采用Pullin的EPSM内核计算。4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征是，所述的Boltzmann方程为：其中：Q(f,f)为碰撞项，即刚性源项，t...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪，张斌，李林颖，陈浩，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31