稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法技术

本发明专利技术一种稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法，包括：采用DSMC对稀薄气流进行数值模拟中，判断任一网格单元中的仿真粒子数目是否在一设定范围内，若仿真粒子数目在设定范围内，则无需对网格单元粒子数优化；若仿真粒子数目超过设定范围的上限值，则根据粒子融合判据反复执行粒子融合操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内；若仿真粒子数目低于设定范围的下限值，则根据粒子分离判据反复执行粒子分离操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内。控制模拟域中每个网格单元的粒子数，使得每个网格单元中的仿真粒子数不随单元密度和单元尺寸而大幅变化，均衡仿真粒子在不同网格单元上的分布。

Particle number optimization method of grid element in rarefied flow numerical simulation

【技术实现步骤摘要】
稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法
本专利技术涉及稀薄气流数值模拟
，特别是涉及一种稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法。
技术介绍
由于在稀薄气流区域N-S方程的连续介质假设失效，近年来，采用蒙特卡洛直接模拟方法（DSMC）对稀薄气流进行数值模拟的方法越来越受到关注。DSMC是一种概率论的离散粒子模拟方法。DSMC方法在计算机中用少量模拟粒子代表大量真实气体分子，模拟粒子的空间坐标、速度、内能等存储在计算机中，因粒子运动、碰撞以及与边界的相互作用而随时间变化，通过对模拟粒子采样还原分子速度分布函数。一般来说，对于稀薄气流超音速流动，流体密度在激波上显著增加；此外，如果壁温度低，则流体密度将朝向边界层区域进一步增加。假设在模拟中使用均匀的网格单元，则由于从自由流向边界层区域的流动密度的显着增加，模拟中的每个单元的粒子数将从自由流单元向边界层单元增加。因此，如果自由流单元有约10-20个粒子，则边界层附近单元可能具有超过几百个粒子。如前所述，这将使模拟时间长、效率低下。相反，根据物理问题，如果这个数字太小，则由于无法求解每个模拟单元中的碰撞，仿真结果可能不准确。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的问题和不足，提供一种稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法，对网格单元内仿真粒子个数进行自适应调整优化，从而能够显著提高稀薄气流数值计算的精度和效率。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：本专利技术提供一种稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法，其特点在于，其包括以下步骤：采用DSMC对稀薄气流进行数值模拟中，判断任一网格单元中的仿真粒子数目与一设定范围的关系，以判定是否执行粒子融合操作或粒子分离操作，若仿真粒子数目在设定范围内，则无需对网格单元粒子数优化，即不执行粒子融合操作或粒子分离操作；若仿真粒子数目超过设定范围的上限值，则根据粒子融合判据反复执行粒子融合操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内；若仿真粒子数目低于设定范围的下限值，则根据粒子分离判据反复执行粒子分离操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内。较佳地，采用DSMC对稀薄气流进行数值模拟中，定义任一网格单元中粒子质量大于平均粒子质量的粒子为大粒子，粒子质量小于等于平均粒子质量的粒子为小粒子，对该网格单元中的粒子进行编号并统计该网格单元中大粒子数目NB、小粒子数目NS；粒子融合判据，判断该网格单元中的含有大粒子和小粒子的仿真粒子数目与设定范围的关系，以判定是否执行粒子融合操作，包括：若仿真粒子数目NB+NS超过设定范围的上限值，则：a）若NB≥设定范围的上限值，调整网格尺寸使得调整后的网格单元中的大粒子数目NB＜设定范围的上限值；a1）若调整后的网格单元中仿真粒子数目在设定范围内，则不执行粒子融合操作或粒子分离操作；a2）若调整后的网格单元中仿真粒子数目仍超过设定范围的上限值，则调整后的网格单元中，判断任意两个小粒子间的距离是否小于设定距离且是否满足粒子融合判断条件，若是则两个小粒子融合为一个大粒子，否则再调整网格尺寸，对调整后的网格单元中的粒子重新编号并统计大粒子数目NB、小粒子数目NS，再次判断是否执行粒子融合或分离操作；b）若NB＜设定范围的上限值，该网格单元中，判断任意两个小粒子间的距离小于设定距离、且是否满足粒子融合判断条件，若是则两个小粒子融合为一个大粒子，否则调整网格尺寸，对调整后的网格单元中的粒子重新编号并统计大粒子数目NB、小粒子数目NS，再次判断是否执行粒子融合或分离操作；在步骤a2）和b）中，每执行一次两个小粒子融合操作就判断执行两个小粒子融合操作后的网格单元中的仿真粒子数目是否在设定范围内，若否则继续两个小粒子融合操作；其中，是两个小粒子周围的大粒子的平均质量，是两个小粒子的平均质量，是两个小粒子周围的大粒子的数目，是小粒子的数目，是人工阈值；粒子融合遵循质量和动量守恒：其中，m1、m2分别为两个小粒子的质量，v1、v2分别为两个小粒子的速度，m、v分别为融合后大粒子的质量和速度，融合后大粒子的位置为融合前两个小粒子位置的中点。较佳地，设定距离为0.5倍的小粒子平均自由程。较佳地，粒子分离判据，判断该网格单元中的含有大粒子和小粒子的仿真粒子数目与设定范围的关系，以判定是否执行粒子分离操作，包括：若仿真粒子数目NB+NS低于设定范围的下限值，则：c）若NB=0，则调整该网格单元的网格尺寸，使得调整后的网格单元中的大粒子数目NB＞0；c1）若调整后的网格单元中仿真粒子数目在设定范围内，则不执行粒子融合操作或粒子分离操作；c2）若调整后的网格单元中仿真粒子数目仍低于设定范围的下限值，则调整后的网格单元中，判断任一单个大粒子是否满足粒子分离判断条件，若是则单个大粒子分离为两个小粒子，否则调整网格尺寸，判断是否执行粒子融合或分离操作；d）若NB＞0，则该网格单元中，判断任一单个大粒子是否满足粒子分离判断条件，若是则单个大粒子分离为两个小粒子，否则调整网格尺寸，判断是否执行粒子融合或分离操作；在步骤c2）和d）中，每执行一次大粒子分离操作就判断执行大粒子分离操作后的网格单元中的仿真粒子数目是否在设定范围内，若否则继续大粒子分离操作；其中，是单个大粒子的质量，是单个大粒子周围的小粒子的平均质量，是大粒子的数目，是单个大粒子周围的小粒子的数目，是人工阈值；粒子分离遵循质量和动量守恒：其中，分别为分离后两个小粒子的质量，分别为分离后两个小粒子的速度，分别为分离前大粒子的质量和速度，分离后两个小粒子的位置为：其中，p1、p2分别为分离后两个小粒子的位置，p为分离前单个大粒子的位置，h为设定阈值。较佳地，h取为分离后小粒子的半径ｒ。较佳地，设定范围为10-20。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。本专利技术的积极进步效果在于：1、控制模拟域中每个网格单元的粒子数，使得每个网格单元中的仿真粒子数不随单元密度和单元尺寸而大幅变化，均衡仿真粒子在不同网格单元上的分布。2、控制数值模拟的计算量，提高模拟效率，提高仿真模拟精度。附图说明图1为本专利技术较佳实施例的粒子融合示意图。图2为本专利技术较佳实施例的粒子分离示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本实施例提供一种稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法，其包括以下步骤：采用DSMC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：/n采用DSMC对稀薄气流进行数值模拟中，判断任一网格单元中的仿真粒子数目与一设定范围的关系，以判定是否执行粒子融合操作或粒子分离操作，若仿真粒子数目在设定范围内，则无需对网格单元粒子数优化，即不执行粒子融合操作或粒子分离操作；若仿真粒子数目超过设定范围的上限值，则根据粒子融合判据反复执行粒子融合操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内；若仿真粒子数目低于设定范围的下限值，则根据粒子分离判据反复执行粒子分离操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内。/n

【技术特征摘要】
1.一种稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：
采用DSMC对稀薄气流进行数值模拟中，判断任一网格单元中的仿真粒子数目与一设定范围的关系，以判定是否执行粒子融合操作或粒子分离操作，若仿真粒子数目在设定范围内，则无需对网格单元粒子数优化，即不执行粒子融合操作或粒子分离操作；若仿真粒子数目超过设定范围的上限值，则根据粒子融合判据反复执行粒子融合操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内；若仿真粒子数目低于设定范围的下限值，则根据粒子分离判据反复执行粒子分离操作，以使得每个网格单元中仿真粒子数目在设定范围内。


2.如权利要求1所述的稀薄气流数值模拟中网格单元粒子数优化方法，其特征在于，采用DSMC对稀薄气流进行数值模拟中，定义任一网格单元中粒子质量大于平均粒子质量的粒子为大粒子，粒子质量小于等于平均粒子质量的粒子为小粒子，对该网格单元中的粒子进行编号并统计该网格单元中大粒子数目NB、小粒子数目NS；
粒子融合判据，判断该网格单元中的含有大粒子和小粒子的仿真粒子数目与设定范围的关系，以判定是否执行粒子融合操作，包括：
若仿真粒子数目NB+NS超过设定范围的上限值，则：
a）若NB≥设定范围的上限值，调整网格尺寸使得调整后的网格单元中的大粒子数目NB＜设定范围的上限值；
a1）若调整后的网格单元中仿真粒子数目在设定范围内，则不执行粒子融合操作或粒子分离操作；
a2）若调整后的网格单元中仿真粒子数目仍超过设定范围的上限值，则调整后的网格
单元中，判断任意两个小粒子间的距离是否小于设定距离且是否满足粒子融合判断条件，若是则两个小粒子融合为一个大粒子，否则再调整网格尺寸，对调整后的网
格单元中的粒子重新编号并统计大粒子数目NB、小粒子数目NS，再次判断是否执行粒子融
合或分离操作；
b）若NB＜设定范围的上限值，该网格单元中，判断任意两个小粒子间的距离小于设定
距离、且是否满足粒子融合判断条件，若是则两个小粒子融合为一个大粒子，
否则调整网格尺寸，对调整后的网格单元中的粒子重新编号并统计大粒子数目NB、小粒子
数目NS，再次判断是否执行粒子融合或分离操作；
在步骤a2）和b）中，每执行一次两个小粒子融合操作就判断执行两个小粒子融合操作后的网格单元中的仿真粒子数目是否在设定范围内，若否则继续两个小粒子融合操作；
其中，是两个小粒子周围的大粒子...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，陈灏，蒋光南，
申请(专利权)人：上海索辰信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31