توسعه نوین الگوریتم شبیه‌سازی مستقیم مونت کارلو در حالت تقارن محوری برای هندسه‌های پیچیده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 هیات علمی دانشگاه صنعتی شاهرود- ساختمان مکانیک

2 هیات علمی پزوهشگاه هوافضا

3 صنعتی امیرکبیر*مهندسی هوافضا

چکیده

در این مقاله به توسعه الگوریتم شبیه‌سازی مستقیم مونت کارلو برای تحلیل جریان حول هندسه‌های پیچیده تقارن محوری در شرایط گاز رقیق با رویکرد کاهش هزینه محاسباتی نسبت به حالت سه بعدی کامل با در نظر گرفتن دقت قابل قبول نتایج نسبت به نتایج سایر مراجع موجود و همچنین انتخاب حداقل تعداد ذرات نتایج پرداخته خواهد شد. در این مقاله، الگوریتمی ارائه شده است که شامل بررسی حالات مختلف حرکت و برخورد ذرات با یکدیگر و یا دیواره در حالت کلی برای هر نوع هندسه تقارن محوری می‌باشد به شکلی که کمترین میزان محاسبات اعمال شده و راندمان حل بالا باشد. در بخش نتایج، هندسه‌های مختلف از جمله هندسه ساده در مسئله اول و هندسه پیچیده در مسئله دوم بررسی شده و نتایج حاضر با نتایج موجود اعتبارسنجی شده و نشان داده شده است که روش حاضر از دقت قابل قبول برخوردار است. همچنین انتخاب حداقل تعداد ذرات با در نظر گرفتن دقت نتایج، نیز از جمله مواردی می‌باشد که مطالعه و بررسی شده است. نشان داده شده است که با توجه به دقت نتایج، در مسئله اول انتخاب حداقل 30000 ذره و در مسئله دوم انتخاب حداقل 500000 ذره باید در نظر گرفته شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

New Development in Direct Simulation Monte Carlo Algorithm for Asymmetric Complex Geometry

نویسندگان [English]

  • ramin zakeri 1
  • ramin kamalimoghadam 2
  • Mahmoud Mani 3
1 faculty of shahrrod university of tech. mech. dep.
2 faculty of ARI
3 MACHANICAL DEP, AUT
چکیده [English]

In this paper, the development of the direct simulation Monte Carlo algorithm has been carried out for flow analysis around axial symmetric complex geometries in rarefied conditions with consideration of reduction in computational cost compared to a full three-dimensional state, appropriate accuracy of the results compared to related available references, as well as the proper selection of particles. In this paper, the algorithm is presented that involves studying different modes of motion and collision of particles with each other or the wall for axial symmetric complex geometries in such a way that the least computations are applied for achieving a high-efficiency solution. In the results section, various geometries such as simple geometry for first case and complex geometry for second case study is investigated and the results are compared with the validated results. The results show the proper accuracy of the proposed algorithm compared to the three-dimensional solvers. Also, the selection of the smallest number of suitable particles is one of the issues that has been studied for selecting the appropriate number of particles. It has been shown that in the first and second test cases, the 30000 and 500000 particles are at least number of particles with consideration of accuracy of results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Direct simulation Monte Carlo algorithm
  • Asymmetric
  • complex geometry
[1] G.A. Bird, Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flow, Oxford University Press, 2nd Edition, 1994.
[2] Y. K. Lee, J. W. Lee, Direct simulation of compression characteristics for a simple drag pump model, Proceedings of the 13th International Vacuum Congress and the 9th International Conference on Solid Surfaces, Yokohama, Japan, 47 (1996) 807-809.
[3] I.D. Boyd, Computation of hypersonic flows using direct simulation monte carlo, AIAA computation fluid dynamics conference, Santiago, CA, 2013, pp. 2557.
[4] F.J. Alexander, A. L. Garcia, B. J. Alder, Direct simulation monte carlo for thin-film bearings, Journal of Physics of Fluids, 6 (12) (1994) 3854-3860.
[5] J.S. Wu, K. C. Tseng, Analysis of micro-scale gas flows with pressure boundaries using direct simulation Monte Carlo method, Journal of Computers & Fluids, 30 (6) (2001), 771-725.
[6] H.J. Schmid, S. Tejwani, C. Artelt, W. Peukert, Monte Carlo simulation of aggregate morphology for simultaneous coagulation and sintering, Journal of Nanoparticle Research, 6 (6) (2004) 613–626.
[7] M.S. Ivanov, G.N. Markelov, S.F. Gimelshein, Statistical simulation of reactive rarefied flows: Numerical Approach and Applications, 7th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference AIAA, (1998) 2669.
[8] G. J. LeBeau, A Parallel implementation of the directs monte carlo method, Journal of Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 174 (3) (1999) 319-337.
[9] G.A. Bird, The DS2V/3V program suite for DSMC calculations, AIP Conference proceeding, 762 (2005) 541-546.
[10] I.D. Boyd, Modeling of associative ionization reactions in hypersonic rarefied flows, Journal of Physics of Fluids, 19 (9) (2007) 096-102.
[11] I.D. Boyd, Vectorization of a monte carlo simulation scheme for nonequilibrium Gas Dynamics, Journal of Computational Physics, 96 (2) (1991) 411-427.
[12] D.F. Rault, Aerodynamics of the Shuttle Orbiter at high altitudes, Journal of Spacecraft and Rockets, 31 (6) (1994) 944-952.
[13] J.N. Moss, Direct simulation monte carlo simulations of ballute aerothermodynamics under hypersonic rarefied conditions, Journal of Spacecraft and Rockets, 44 (2) (2007) 289-298.
[14] J. Moss, DSMC computations for regions of shock/shock and shock/boundary layer interaction, in Proceedings of the 39th AIAA- Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, USA, (2001) 1027.
[15] R. Zakeri , R. Kamali-Moghadam, M. Mani, A new approach for chemical reaction simulation of rarefied gas flow by DSMC method, Journal of Computers & Fluids, 140 (2016) 111-121.
[16] R. Zakeri , R. Kamali-Moghadam, M. Mani, New chemical-DSMC method in numerical simulation of axisymmetric rarefied reactive flow, Journal ofPhysics of Fluids, 29 (4) (2017) 047105.
[17] R. Zakeri , R. Kamali-Moghadam, M. Mani, Modified Collision Energy, a New Chemical Model in the DSMC Algorithm, Journal of  ASME/ Heat Transfer, 11(4) (2019) 041011-041011.
[18] R. Zakeri, Modification of Chemical Dissociation Model For Improvement of Aerodynamic Heatflux Calculation Using DSMC Algorithm For Reentry Problem, Ph.D Thesis, Amirkabir University of Technology, Tehran, 2017.
[19] I. Sohn, Z. Li, D. A. Levin, M. F. Modest, Coupled DSMC-PMC Radiation Simulations of a Hypersonic Reentry, Journal of  Thermophysics and Heat Transfer, 26 (1) (2012) 22-35.