DSMC模拟技术

第一部分直接模拟蒙特卡罗法（DSMC）1DSMC的基本概念1基本概念(directsimulationMonteCarlo)DSMC与MC二者都是随机统计的方法。通过对大量的样本统计获得宏观物理量。MC方法的起源MC发展到DSMC粒子模拟方法直接从物理过程出发，追踪流场中样本粒子的运动，由这些样本粒子的分布给出宏观物理量的统计结果。概念清晰、物理模型直观，具有数值试验的色彩。2DSMC的应用及特点稀薄气体动力学模拟——NS方程等宏观理论不适用直接求解Boltzmann；DSMC；格子Boltzmann方法(LBM）特点——优点：1）编程容易；2）可以处理几何复杂的流场；3）宏观难以描述的流场——湍流模型、多相流模型等.总之，问题越复杂，DSMC越具优越性。缺点：1）计算速度慢；2）精度偏低。3DSMC中的粒子及粒子行为1）粒子特性——有质量、有大小、有能量有生命a)粒子间作用力刚性球模型、萨瑟兰（Sutherland）势函数、林纳德—琼斯（Lennad-Jones）势函数、中心排斥势和6-exp势函数等b)粒子能量及分配平动能——气体温度——宏观特性转动能——转动温度振动能——振动温度——化学反应电子能——电子温度——辐射特性2）粒子行为——概率模型4DSMC的实现方法1）对流场进行区域分解和网格划分系统坐标——当地坐标；规则网格——不规则网格；二维——三维等等2）选择计算的时间步长局域热平衡假设网格大小和时间步长要求：两个时间步间控制域内的状态不发生明显变化——时间步长与粒子的平均碰撞时间相当；同一时间步内只允许相邻网格发生作用——网格尺寸与粒子的平均自由程相当。3）选定样本粒子数目，进行跟踪模拟4）流体传递过程示例速度宏观速度+热运动速度密度网格内均匀分布粒子种类均匀分布能量传递=碰撞传递能量差+粒子传输携带能量差质量传递=粒子传输数目差5）壁面行为示例换热量=单位时间碰壁数目*壁面与粒子能量差*热协调系数；压力=单位时间内单位面积上粒子的作用力总和。5DSMC的改进计算速度的限制稀薄气体？连续流体难点：网格不得不稠密；时间步长不得不小方法：“超粒子”概念的引入=Zs/N/sqrt(N)6算例（N=600）X向速度分布Y向速度分布流场温度分布出口为真空时向速度分布绕圆绕圆柱流热交换检验流检验喉部结构的复杂性增大了设计和研究的难度1结构多样性；2扩散角度不一；3内部元件繁多、结构不同：•直径为1.82米的组合双低加一台；•外径为0.63米的抽汽管8根；•直径为20厘米的支撑管800余根；•各种连接和支撑板200余块；•尺寸很大的旁路蒸汽减温减压装置和人孔装置等。总之：这些结构的不确定性以及众多的内部设备使得喉部的流体通道变得异常复杂、喉部流场的速度和密度分布极不均匀，这种流动的复杂性极大地增加了喉部结构设计和性能分析的难度。第二部分凝汽器喉部流场模拟及扩散角对其性能的影响研究一、流场模拟1、流场区域分解及建模•圆柱绕流•斜壁面•主流区矩形网格2数学建模•概率模型1)规则和不规则网格随机位置概率模型：DX=$*L;Y=$*DL2)碰撞概率模型碰撞频率：碰撞几率为：3）粒子的速率和方向2/18ifffimkTdnZtZtPiicimkTvmkTnf/2exp/222/34）碰撞对选择模型5）漫反射、漫发射方向模型天顶角=随机数*90度圆周角=随机数*360度R26）一个时间步结束后的宏观物理量调整空壳体喉部一半出流速度分布等值线图空壳体喉部一半出流压力分布图伊朗SAHAND2325MW项目空冷机组汽轮机凝汽器接颈流场计算有辅助设备喉部一半出流速度分布等值线图有辅助设备喉部出流压力分布等值线图（喉部一半）距出口0.98m横断面压力分布等值线图有辅助设备距出口0.98m横断面流动分布等值线图二、喉部扩散角对汽阻和流动均匀性的影响1喉部汽阻和流动均匀性的影响***汽阻直接影响汽轮机机组的效率；流动均匀性则影响凝汽器及系统整体的运行安全性。喉部压力损失与扩散角的关系计算压力损失第二部分完谢谢！