三维非结构网格DSMC方法的实现与航天飞机绕流模拟

本文主要探讨了三维非结构网格DSMC方法的实现策略及其在航空航天领域的应用。DSMC（Direct Simulation Monte Carlo）方法，由Bird在1963年提出，是一种直接物理模拟方法，用于解决稀薄气体动力学问题，特别适用于那些经典气体动力学无法处理的复杂流动场景，因为DSMC不依赖连续介质假设。 作者们在研究中将Bird的子网格思想引入非结构网格设计中，这一创新性做法减少了所需的计算网格数量，从而提升了分子的分辨率和计算精度。传统的直角结构网格（如位置元方法）被划分成规则的正方体网格，而在此基础上，每个大网格被进一步细化为多个小网格，这些小网格被称为子网格。通过只存储子网格的整体标识号，这种方法有效地节省了内存资源。 为了跟踪模拟过程中分子在不同网格间的移动，作者提出了结合体积元坐标搜索算法和交替数字二叉树搜索算法（ADT）的方法。ADT在处理复杂的网格结构时表现出高效性，使得分子与物面的作用判断更为准确，避免了分子表面反射时可能出现的不确定性和误差。利用Fortran90的动态内存分配技术，作者编写了一套通用的计算程序，这在处理大规模计算任务时具有显著的优势。 论文的焦点实验是对高超声速过渡流域航天飞机头部外形的绕流进行数值模拟。这个实际应用案例验证了所提出的DSMC方法在非结构网格上的可行性，初步结果显示该方法在处理这类复杂流动问题时，能够提供可靠的数值结果。 本文的关键词包括“非结构网格”、“直接物理模拟”、“DSMC”和“蒙特卡洛方法”，这些都是研究的核心概念。该研究不仅对DSMC方法的实现技术有所贡献，也为航空航天领域内的稀薄气体动力学计算提供了新的解决方案。总体而言，这项工作对于推进稀薄气体动力学模拟的精度和效率具有重要意义。