[发明专利]一种基于hdCLL模型的气体分子散射速度计算方法

说明书

本发明公开了一种基于hdCLL模型的气体分子散射速度计算方法，hdCLL模型根据能否在壁面上稳定吸附一段时间将气体分子分为吸附类气体分子和反射类气体分子，并对两类气体分子的散射采用不同的气固相互作用模型进行描述，对于吸附类分子，采用完全漫反射模型分别计算其切向和法向散射速度，对于反射类分子，采用CLL模型计算其散射速度，通过构建MD模型获得所需的参数，进而计算气体分子的散射速度，并统计得到气体分子的散射速度概率分布。通过本发明获得的气体分子散射速度的准确性、可靠性相比已有方法得到了显著提高。本发明可以进一步应用于DSMC模拟中，提升其对于稀薄气体条件下流场特性的预测精度。

技术领域

本发明涉及稀薄气体条件下的计算流体力学领域，更具体地说，涉及一种计算稀薄气体条件下气体分子与壁面碰撞后散射速度的方法。

背景技术

现代工业一直向着极端条件的方向发展，如高空、高温、高速、低密度、微尺度等。在这些极端条件下进行流体力学计算时，稀薄气体效应不可忽略。例如，在计算临近空间飞行器的气动力和气动热，以及计算微机电系统(MEMS)中气体的流动和传热时，都需要考虑气体的稀薄效应。此时，基于连续介质假设的纳维-斯托克-傅里叶(Navier-Stokes-Fourier，NSF)控制方程不再适用，需要采用分子动理论方法进行分析计算。

基于分子水平的直接模拟蒙特卡洛(Direct Simulation of Monte Carlo，DSMC)方法是一种重要的分子动理论模拟方法，该方法通过追踪分子的运动和碰撞过程，并对分子信息进行统计平均来得到宏观流场特性。在DSMC方法中，需要通过确定的气固相互作用模型来计算气体分子与固体壁面碰撞后的散射速度，以得到壁面处的流场特性。

由于气固相互作用过程的复杂性，目前在DSMC方法中广泛采用的气固相互作用模型均属于经验性的唯象论模型，其中应用最为广泛的是麦克斯韦(Maxwell)模型和Cercignani-Lampis-Lord(CLL)模型。在该类模型中，采用散射核函数来描述气体分子的散射速度与入射速度之间的关系，并用适应系数来表征气体在壁面的动量或能量的适应程度。已有的DSMC计算表明，采用不同的气固相互作用模型得到的计算结果存在显著差别。因此，准确、可靠的气固相互作用模型对于DSMC方法准确预测宏观流场特性至关重要。

已有研究表明，目前广泛应用的气固相互作用模型均存在一定缺陷。其中，Maxwell模型简单地将气体分子的散射分为镜面反射和完全漫反射两类，明显与实际散射情况不符；CLL模型相比Maxwell模型能够更准确地再现分子束实验中观察到的小叶片状散射分布图，但其并未考虑在壁面上发生吸附的气体分子的散射情况。此外，经研究发现，当气壁温差较大或存在切向宏观速度时，在光滑壁面条件下，由Maxwell模型计算得到的气体散射速度概率密度分布与分子动力学(MD)模拟获得的参考标准结果存在明显偏差，如图1、图2和图3所示，表明此时Maxwell模型的适用性较差；而在粗糙壁面条件下，由Maxwell模型和CLL模型计算得到的气体散射速度概率密度分布均与MD模拟结果存在明显偏差，如图4、图5和图6所示，表明此时Maxwell模型和CLL模型的适用性均较差。因此，基于Maxwell模型和CLL模型计算得到的气体分子散射速度的准确性与可靠性不足，会进一步影响到DSMC方法对宏观流场特性的预测精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于漫反射与CLL耦合模型(hybrid ofdiffusion and CLL model，hdCLL model)的气体分子散射速度计算方法。

本发明所采用的技术方案包括：

一种基于漫反射与CLL耦合模型的气体分子散射速度计算方法，所述漫反射与CLL耦合模型将能在壁面上稳定吸附一段时间的气体分子定义为吸附类气体分子，将不能在壁面上稳定吸附一段时间的气体分子定义为反射类气体分子，并对两类气体分子的散射采用不同的气固相互作用模型进行描述，其散射核函数如下：