WikiDer > Прямое моделирование Монте-Карло - Википедия

Direct simulation Monte Carlo - Wikipedia

Прямое моделирование Монте-Карло (DSMC) метод использует вероятностный Монте-Карло симуляция решить Уравнение Больцмана для конечного Число Кнудсена жидкость потоки.

Метод DSMC был предложен профессором Грэмом Бердом,[1][2][3] Почетный профессор аэронавтики Сиднейского университета. DSMC - это численный метод моделирования течений разреженного газа, в котором длина свободного пробега молекулы того же порядка (или больше), чем типичный физический масштаб длины (т.е. Число Кнудсена Kn больше 1). В сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках разрежение характеризуется параметром Цзяня, который эквивалентен произведению числа Кнудсена и числа Маха (KnM) или M/ Re, где Re - число Рейнольдса.[4][5] В этих разреженных потоках Уравнения Навье-Стокса может быть неточным. Метод DSMC был расширен для моделирования потоков континуума (Kn <1), и результаты можно сравнить с решениями Навье-Стокса.

Метод DSMC моделирует потоки жидкости с помощью моделирования. молекулы которые представляют большое количество реальных молекул в вероятностном моделировании для решения Уравнение Больцмана. Молекулы перемещаются через симуляцию физического пространства реалистичным образом, который напрямую связан с физическим временем, так что можно моделировать нестационарные характеристики потока. Межмолекулярные столкновения и столкновения молекул с поверхностью рассчитываются с использованием вероятностных феноменологические модели. Общие молекулярные модели включают модель жесткой сферы, модель переменной твердой сферы (VHS) и модель переменной мягкой сферы (VSS). Фундаментальное предположение метода DSMC состоит в том, что фазы движения молекул и столкновений могут быть разделены в течение периодов времени, которые меньше среднего времени столкновения. Различные модели столкновений представлены в.[6]

В настоящее время метод DSMC применяется для решения потоков от оценки Космический шатл аэродинамика входа в атмосферу, моделирующие микроэлектромеханические системы (МЭМС).

Программное обеспечение DSMC

Существует несколько реализаций метода DSMC:

  • DS1V, DS2V и DS3V являются оригинальными программами DSMC, написанными профессором Бердом. Эти программы имеют визуальный пользовательский интерфейс, который можно использовать для настройки и последующей обработки.
  • МОНАКО это решатель DSMC, разработанный в Корнелл Университет доктора Стефана Дитриха и профессора Иэна Бойда Лаборатория неравновесной газовой и плазменной динамики на университет Мичигана.[7]
  • PI-DSMC представляет собой коммерческий программный пакет DSMC для 2D и 3D потоков.
  • УЛЫБКА (Sтатистический Mодевание яп Lплотность потока Environment) - это универсальная программная система 2D / 3D параллельного DSMC, разработанная с 1998 года Лабораторией вычислительной аэродинамики (L7) в Институт теоретической и прикладной механики имени Христиановича, Сибирское отделение Российской академии наук. SMILE был основным инструментом аэродинамического анализа для высотных этапов входа в атмосферу Космическая станция "Мир" а также многие другие российские и европейские космические проекты.
  • ЦАП - это универсальный код DSMC, разработанный НАСА в исследовательских центрах Johnson Space и Langley. В нем используется двухуровневая сетка с использованием декартовых объемов и алгоритм сечения ячеек, разработанный группой профессора Тома Шварцентрубера в Университет Миннесоты. И скалярная, и параллельная версии существуют с параллельной версией, использующей интерфейс передачи сообщений (MPI) и декомпозицию домена. ЦАП был разработан для решения сложных задач, таких как сложная геометрия (например, Международная космическая станция) и столкновение с шлейфом, которое может произойти во время встречи двух космических кораблей. DAC классифицируется как ITAR, и его распространение разрешено только пользователям США. Запросы на DAC следует направлять в Офис передачи технологий Космического центра имени Джонсона НАСА.
  • КАРТА (Mультрафизика Аалгоритм с пarticle) - еще один код DSMC общего назначения, разработанный НАСА в Исследовательском центре Лэнгли. Это основанная на Octree 0D / 2D / Axi / 3D реализация DSMC, полученная из DAC, с акцентом на физику высоких энергий, возникающую при повторных потоках. Алгоритм отсечения ячеек, используемый в MAP, основан на алгоритме, используемом в SPARTA, который основан на работе, проделанной группой профессора Шварцентрубера в Университет Миннесоты. MAP классифицируется как EAR99 и бесплатно предоставляется гражданам США и иностранным организациям по запросу на сайте software.nasa.gov.
  • MGDS представляет собой полностью трехмерный решатель DSMC, включающий трехуровневое адаптивное уточнение сетки и алгоритм отсечения ячеек, разработанный группой профессора Тома Шварцентрубера в Университет Миннесоты.
  • SAMADII / SCiV (Sтатистический Contact яп Vacuum) - это программная система общего назначения 3D DSMC, основанная на мульти-GPU.
  • HAP (ЧАСсверхзвуковой Аэротермодинамика пкод статьи) - это код DSMC, разработанный в США. Исследовательская лаборатория ВВС для высокоскоростного полета и космических приложений.
  • СПАРТА (Sтохастический PAпараллельно ргазовый Тточный по времени Аанализатор), Открытый исходный код 2 и 3D-симулятор DSMC, оптимизированный для параллельных вычислений и разработанный в Сандийские национальные лаборатории. Написано в C ++, СПАРТА разработан таким образом, чтобы его можно было легко изменять или расширять за счет новых функций. Код распространяется под GPL, и доступны из сайт проекта
  • PICLas является параллельным трехмерным ПОС-DSMC Solver, разработанный совместно Институтом космических систем и Институтом аэродинамики и газовой динамики Штутгартский университет.[8] Это гибкий пакет моделирования для расчета потоков реактивной плазмы, где ПОС, DSMC и несколько других методов частиц могут быть объединены или использованы отдельно. Области применения включают моделирование электрические двигательные установки, маневры входа в атмосферу, гиротоны, лампы бегущей волны и лазерно-плазменное взаимодействие. В бесплатный и открытый исходный код доступен под лицензией GNU General Public License v3.0
  • ultraSPARTS (ультра-быстрый Sтатистический ЧАСТЬледенец Simulation Package), принадлежащий Plasma Taiwan Innovative Corp., представляет собой коммерческий пакет DSMC общего назначения. Это написано в C ++ с важными функциями, включая 2D / 2D-осесимметричную / 3D гибридную неструктурированную сетку с параллельными вычислениями (MPI) с использованием динамической декомпозиции области. По-настоящему свободная от клонирования технология разработана для обработки двухмерных осесимметричных потоков. Он применялся для моделирования многих важных научных и технических проблем, таких как гиперзвуковой нереагирующий и реагирующий поток, поток турбо-вакуумного насоса, конструкция камеры обработки материалов, конструкция большой вакуумной камеры, обработка материалов (например, OLED, осаждение CIG, PVD) , Столкновение с космическим кораблем шлейфа RCS, а также недавние шлейфы кометного газа / пыли и другие. Он также был успешно гибридизирован с решателем NS с неструктурированной сеткой. Подробности можно найти на Plasma Taiwan Innovative Corp.
  • VizGrain коммерческий, параллельный, 1D / 2D / 3D, многовидовой код PIC-DSMC, разработанный Esgee Technologies. VizGrain предназначен для автономной работы или в сочетании с симуляцией жидкости для гибридных плазменное моделирование. Применения включают обработку полупроводников, реактивные потоки, электрическую тягу и обработку материалов.
  • NFS (Nодно равновесие Fнизкий Solver) - это трехмерный, многовидовый, параллельный код DSMC[9] с адаптивным уточнением сетки, разработанным в лаборатории моделирования неравновесных потоков (NFSL).

Рекомендации

  1. ^ Берд, Г.А. (1963). "Подход к поступательному равновесию в газе жесткой сферы". Физика жидкостей. 6 (10): 1518. Дои:10.1063/1.1710976.
  2. ^ Г. А. Берд, Молекулярная газовая динамика, Кларендон, Оксфорд (1976)[страница нужна]
  3. ^ Г. А. Берд, Молекулярная газовая динамика и прямое моделирование газовых потоков., Кларедон, Оксфорд (1994)[страница нужна]
  4. ^ Цзянь, Сюэ-Шэнь (1946). «Супераэродинамика, механика разреженных газов». Журнал авиационных наук. 13 (12): 653–64. Дои:10.2514/8.11476.
  5. ^ М. Н. Макроссан, «Параметры масштабирования для гиперзвукового потока: корреляция данных о лобовом сопротивлении». В кн .: Иванов М. С., Ребров А. К., 25-й Международный симпозиум по динамике разреженного газа, Сибирское отделение Российской академии наук, 2007, с.759.
  6. ^ Roohi, E .; Стефанов, С. (2016). «Схемы выбора партнера по столкновению в DSMC: от микро / нанопотоков к гиперзвуковым потокам». Отчеты по физике. 656 (1): 1–38. Дои:10.1016 / j.physrep.2016.08.002.
  7. ^ Дитрих, Стефан; Бойд, Иэн Д. (1996). «Скалярная и параллельная оптимизированная реализация метода Монте-Карло прямого моделирования». Журнал вычислительной физики. 126 (2): 328–42. Дои:10.1006 / jcph.1996.0141.
  8. ^ Мунц, Клаус-Дитер; Auweter-Kurtz, Monika; Фасулас, Стефанос; Мирза, Асим; Ортвейн, Филипп; Пфайффер, Марсель; Штиндл, Торстен (2014). "Связанный метод Монте-Карло" частицы в ячейке и прямое моделирование для моделирования потоков реактивной плазмы ". Comptes Rendus Mécanique. 342 (10–11): 662–70. Дои:10.1016 / j.crme.2014.07.005.
  9. ^ Кумар, Ракеш; Чиннаппан, Арун Кумар (2017-12-15). «Разработка многовидового, параллельного, трехмерного решателя Монте-Карло прямого моделирования для потоков разреженного газа». Компьютеры и жидкости. 159: 204–216. Дои:10.1016 / j.compfluid.2017.10.006. ISSN 0045-7930.

внешняя ссылка