从考虑转动松弛变化特性的Rykov模型出发,基于Boltzmann模型方程求解跨流域气体运动论统一算法原理与计算规则,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,研究考虑转动非平衡影响的Boltzmann模型方程数值求解方法.通过对氮气激波结构、二维钝头体和三维尖双锥跨流域绕流的模拟分析,验证该算法的跨流域一致适用性.

研究考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程,基于转动自由度对气体分子速度分布函数矩积分,引入约化速度分布函数,应用离散速度坐标法与数值积分技术,将气体运动论模型方程化为在离散速度坐标点处关于三个约化速度分布函数的联立方程组.应用拓展计算流体力学有限差分方法,数值计算考虑转动自由度的双原子气体一维、二维Boltzmann模型方程,得到高、低Knudsen数一维激波管内流动和二维竖直平板绕流问题的流场,分析验证考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程全流域统一算法求解一维/二维气体流动问题的可靠性.结果表明,气体稀薄程度与分子内自由度对流场具有较大影响,且Knudsen数较高的稀薄气体流动呈现严重的非平衡流动特点.

研究各流域三维流动问题的Boltzmann模型方程计算方法,建立直接求解分子速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式;基于变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性分析,使用区域分解并行化方法,建立气体运动论数值算法并行方案,发展求解各流域三维绕流问题的气体运动论并行算法.拟定高低不同马赫数下来自不同流域的三维球体及返回舱绕流算例,进行高性能Fortran(HPF)大规模并行计算,将计算结果与有关实验数据、相关理论预测等进行比较分析,研究揭示不同流区复杂绕流现象及流动机理.研究表明,所发展的气体运动论并行算法具有很好的并行独立性,基本达到线性加速的并行效果,显示出良好的并行可扩展性.

从修正的BGK Boltzmann模型方程出发,引入离散速度坐标技术对气体分子速度分量进行离散降维,基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散差分格式,发展直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值格式,提出一套能有效模拟各流域三维绕流问题的气体运动论统一算法.在分析研究气体运动论数值算法内在并行度的基础上,开展各流域三维绕流问题统一算法的HPF(高性能FOR TRAN)并行化程序设计,建立一套能有效模拟各流域复杂外形体绕流的HPF并行算法软件.并进行了不同Knudsen(克努森)数下三维球体绕流及类"神舟号"返回舱外形体绕流的初步数值实验,将计算结果与过渡区有关实验数据及各流域气体绕流现象进行比较分析,证实了发展的气体运动论HPF并行算法在求解稀薄流到连续流不同流域复杂绕流问题方面的可行性.