Nichtgleichgewichtige Strömungssimulationen unter Verwendung der vereinheitlichten gas-kinetischen Wellen-Partikel-Methode

Nichtgleichgewichtige Strömungen sind häufig in der Luft- und Raumfahrttechnik anzutreffen, wie z.B. beim Wiedereintritt von Raumfahrzeugen, beim Raketenstart und bei der Satellitenlagekontrolle. Numerische Simulationen helfen erheblich beim Verständnis von nichtgleichgewichtigen Strömungen, Multiskaleneffekten und der Dynamik in diesen Anwendungen. Durch die Kopplung von Teilchentransport und Kollision innerhalb des Gasentwicklungsprozesses wurde die vereinheitlichte gas-kinetische Wellen-Partikel (UGKWP)-Methode für Multiskalenströmungssimulationen entwickelt, die eine Strategie bietet, die ein Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Effizienz herstellt. In der vorliegenden Studie simuliert die UGKWP-Methode herausfordernde Strömungsprobleme mit großen Schwankungen der Knudsen-Zahl, einschließlich Überschallströmung um eine Kugel, hypersonische Strömung um ein Raumfahrzeug, Düsenausstoß in das Vakuum und Seitenstrahlaufprall auf die hypersonische Strömung. Die UGKWP erfasst genau komplexe Strömungsstrukturen und wurde durch experimentelle Daten oder direkte Monte-Carlo-Simulationsergebnisse validiert. In Bezug auf die Rechenkosten benötigt die UGKWP-Methode nur 60 GiB Speicher, um das dreidimensionale Raumfahrzeug mit 560,593 Zellen unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu simulieren, was selbst auf persönlichen Arbeitsstationen handhabbar ist. Angesichts ihrer hervorragenden Effizienz und Genauigkeit zeigt die UGKWP-Methode ihre erheblichen Vorteile bei der Simulation von Multiskalenströmungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik.