[发明专利]一种面向冲击系统的二维九速离散玻尔兹曼方法及装置

说明书

本申请涉及一种面向冲击系统的二维九速离散玻尔兹曼方法及装置，其方法包括根据冲击系统的实际工况，初始化密度、速度和温度的物理场分布；计算离散玻尔兹曼模型中的碰撞项和对流项；将碰撞项和对流项的数值结果代入离散玻尔兹曼模型中，并更新速度分布函数；根据所述速度分布函数，计算密度、速度、温度和压强，并确定动理学矩关系；基于计算的密度、速度、温度和所述动理学矩关系,计算平衡态速度分布函数的值；判断时间迭代步数是否满足预设的条件；若时间迭代步数满足条件，则输出预先设定的物理量的值。本申请利于全面研究具有跨尺度特点的复杂冲击系统的数值模拟与仿真,具有更广泛的适用范围和更简介的操作流程。

技术领域

本申请涉及流体力学模拟技术领域，尤其是涉及一种面向冲击系统的二维九速离散玻尔兹曼方法及装置。

背景技术

冲击是一种包含超音速压缩过程的复杂物理现象。该现象广泛存在于自然现象和工程应用当中，例如超新星爆炸、爆破、超音速飞机、医疗设施等。在冲击波传播过程中，介质的密度、温度、速度和压强等物理量发生急剧变化，系统具有典型的高瞬变、多尺度、非线性、非平衡行为特征。目前，面向冲击系统的数值方法大都是传统计算流体力学方法(CFD)。现有的关于冲击系统CFD可以分为宏观和微观层次的物理描述。

在宏观层次上对冲击系统的模拟方法，控制方程一般为Euler方程组。该方程组包含了连续性方程、动量方程和能量方程，分别用于描述质量守恒、动量守恒和能量守恒。Euler模型描述的是处于热力学平衡态的物理系统，忽略了粘性和热传导的影响，虽然计算效率较高，但是物理精度较低，Euler层次的控制方程基于连续性假设，难以适用于极端复杂的物理现象，无法准确地刻画出在冲击系统中显著的热力学非平衡效应；从数值计算的角度来讲，对于Euler方程组，其连续性方程、动量方程和能量方程的形式不同，并且具有典型的非线性特征，因此相应的数值处理模式较为复杂。另外，Euler方程组的非线性特征对并行程序的编写和优化也造成了一定困难。

在微观层次上对冲击系统的模拟方法，主要包括分子动力学(MD)和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法。其中，MD基于牛顿运动方程，能够实时追踪每个原子或分子的位置和速度，可以提供冲击系统的详尽信息。通过对这些粒子的运动行为进行统计处理，便可获取与其集体效应相对应的宏观物理量。DSMC基于概率蒙特卡罗模拟求解玻尔兹曼方程，假定在小于平均碰撞时间的周期内分子迁移和碰撞可以解耦，并使用概率经验模型来描述分子的碰撞过程。从数值运算的角度来讲，由于受计算量的限制，MD的计算量在空间尺度上仅限于几十纳米，在时间尺度上只限于几百纳秒，难以对较大时空尺度的物理系统进行描述；DSMC虽然可以应用于稀薄气体和高超声速等领域，但是有时会遇到统计噪音等问题，产生一些非物理的数值结果，与真实现象的情况不一致。无论是MD还是DSMC方法，从适用范围来讲，由于其运算量巨大且对计算机内存要求极高，所以其适用的时空尺度非常有限。

针对上述中的相关技术，发明人发现传统CFD的适用范围存在一定局限性，存在有无法用于全面研究具有跨尺度特点的复杂冲击系统的数值模拟与仿真的问题。

发明内容

为了扩大适用范围，本申请提供了一种面向冲击系统的二维九速离散玻尔兹曼方法及装置。

第一方面，本申请提供一种面向冲击系统的二维九速离散玻尔兹曼方法。

本申请是通过以下技术申请得以实现的：

一种面向冲击系统的二维九速离散玻尔兹曼方法，包括以下步骤，

S1：根据冲击系统的实际工况，初始化密度、速度和温度的物理场分布，以获得离散玻尔兹曼模型的离散化的平衡态速度分布函数，并将离散化的平衡态速度分布函数的值赋给离散化的速度分布函数；

S2：计算所述离散玻尔兹曼模型中的碰撞项和对流项；

S3：将所述碰撞项和所述对流项的数值结果代入所述离散玻尔兹曼模型中，并更新所述速度分布函数；