一個平行化耦合DSMC-NS模擬程式的精進與通用化及其應用之研究

Abstract

高超音速 (hypersonic) 的流動分析在應用上是相當重要的。相關應用，例如：銳緣 區(sharp leading edges)、鈍型物尾流 (blunt body wakes)、衛星姿態控制器噴嘴形成之擴 張氣流場(expanding reaction control system plumes)、直接物理氣相沉積( directed PVD)、 噴射式化學氣相沉積( jet-type CVD)等等。在過去也已經有許多人針對此類流場做過不少 相關的研究，由於流場中包含有連續及稀薄的區域，然而利用數值模擬這些流場依然是 相當困難及具挑戰性的工作。根據我們最近的研究成果 [J.-S. Wu* et al., Journal of Computational Physics, Vol. 219, No. 2, pp. 579-607, 2006.]，我們計劃要在朝這個方向繼續努力，加 強在此領域的研究深度。 在這次提報的三年計畫中，我們想要更進一步的改善我們之前的平行化DSMC-NS 偶合數值方法。我們會把我們以前針對三維空間平行化的DSMC 數值解法，由只能處理 純三維問題改善到能亦可處理二維以及二維軸對稱的問題。另外，我們會將利用DSMC 取樣技巧去研究過去文獻中所提出的失效參數( breakdown parameters)門檻值是否適 當。接著我們會修改及驗證我們的平行化DSMC-NS 偶合數值方法，以完成此計劃所面 臨的挑戰。最後，我們會在平行化DSMC-NS 偶合數值方法中加入網格自動重繪的技巧 (包含網格細切及合併)，進而增加數值模擬的準確性。我們會藉由模擬數個具有代表性 的流場來驗證這DSMC-NS 偶合數值方法的能力，包含RCS (reaction control system) nozzle plume impingement、high-altitude missile plume interaction 和 jet-type CVD。 每一年的具體目標陳列如下： 第一年， 我們會修改和驗證以前發展的DSMC，使它可以處理二維、二維軸對稱和三 維的稀薄氣體流場。除此之外，將利用DSMC 取樣技巧來研究出可接受的連續失效和熱 平衡失效參數的門檻值，我們會把重點放在靠近壁面區域，我們可能會提出一個新的失 效參數準則與指標。 第二年， 我們會結合修改過的DSMC 與NS 數值解法(UNIC-UNS code)，繼續發展及驗 証偶合的作法。我們會把重點擺在證實DSMC-NS 偶合數值方法証確性，尤其是二維軸 對稱流場的模擬驗證上。此外我們將研究新的失效參數指標對偶合次數和模擬時間及收 斂的影響。 第三年， 我們會在DSMC-NS偶合數值方法中加入平行化網格自動重繪的技巧( parallel adaptive mesh refinement and coarsening, PAMRC)進而改善模擬的準確性。在計畫結束前 我們會模擬出數個具有代表性的二維軸對稱及三維流場題目。這些題目最主要的困難處 為不適合單獨使用DSMC 或NS 求解。 本計劃的完成，我們有信心將使台灣成為偶合DSMC-NS 數值方法研究的領先國家之 一，以此自勉。