【学术视频】第五届全国统计物理与复杂系统学术会议 | 中国空气动力研究与发展中心李志辉研究员

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图 | 李志辉

题目：Boltzmann方程可计算建模统一算法在飞船返回舱再入跨流域空气动力学应用研究

报告人：李志辉

单位：中国空气动力研究与发展中心

时间：2019-07-27

地点：中国科学技术大学

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报告摘要

随着国家超级计算机与平衡态/非平衡态统计物理复杂系统流体力学计算技术进步，发展可靠模拟飞船返回舱从外层空间返回再入地面飞行过程各流域空气动力绕流问题超大规模并行算法，是载人航天飞行器设计与调姿配平绕流流体物理复杂系统研制关键基础。报告对连接微观分子动力学与宏观流体力学的介观统计物理Boltzmann(玻尔兹曼)速度分布函数方程碰撞积分物理分析与可计算建模，基于对内自由度松弛变化模型研究，采用转动惯量描述气体分子自旋运动，利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量，把气体分子内部能量作为分布函数的自变量，引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数，推导描述多原子分子弹性与非弹性碰撞松弛变化的双时间尺度碰撞频率表达式，通过气体分子碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数，将各流域流态控制参数、宏观流动物理量、气体粘性输运特性、热力学效应及气体分子相互作用规则和分子模型等用统一的表达式联系起来，提出描述复杂飞行器跨越飞行各流域高超声速流动非平衡输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程。研制适于跨流域高、低不同马赫数绕流问题模拟的离散速度坐标法与宏观流动物理量动态确定离散速度数值积分方法，发展适于高低不同马赫数离散速度分布函数与真实分布函数计算精度实时控制方法。应用拓展计算流体力学有限差分方法，通过研究大规模计算数据并行程序设计环境与通量矢量分裂规则，构造直接求解Boltzmann型速度分布函数方程的气体动理论并行数值格式；遵循物面质量流量通量守恒和分子平动能与内部能量平衡关系，发展计及热力学非平衡效应基于气体分子速度分布函数演化更新对高超声速流场边界与气面相互作用统一表述数学模型及数值处理方法，建立表征热力学非平衡效应Boltzmann模型方程求解飞船返回舱再入各流域复杂高超声速绕流问题气体动理论统一算法。发展基于物理空间与速度空间两相六维空间区域分解并行化计算策略，在小、中、大规模64~1024、1024~8000、4950~20625CPU及众核异构计算机500~45000处理器15进程并行算法测试，获得拟线性加速比至少85%以上并行效率。对航天再入跨流域可重复使用卫星、新一代飞船返回舱等再入气动力/热问题大规模并行计算与算法验证，证实Boltzmann方程可计算建模气体动理论统一算法在求解航天器往返飞行各流域复杂高超声速气动力/热绕流问题的精度与可靠性，揭示高稀薄流到连续流复杂绕流现象与流体物理变化规律，为新一代飞船返回舱往返大气层跨流域气动设计提供新途径与应用研究平台。

个人简介

李志辉，中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所、国家计算流体力学实验室研究员、博士、博士生导师。2012年中国工程院第九届光华工程科技奖青年奖获得者，2013年国家杰出青年基金获得者，2014年，被国家科学技术部聘任973项目首席科学家主持国家重点基础研究发展计划（973计划2014-2018）项目“航天飞行器跨流域空气动力学与飞行控制关键基础问题研究”，同年入选部委级高层次科技创新人才工程学科拔尖人才培养对象；2015年享受政府特殊津贴；2016年入选英国皇家工程院杰出访问研究员。自1991年国防科技大学航天技术系空气动力学专业毕业，一直从事高超声速稀薄气体动力学与计算流体力学理论基础与应用研究工作，致力解决载人航天与装备研制跨流域空气动力学问题。

会议简介

全国统计物理与复杂系统学术会议由中国科学院理论物理研究所主办，是我国统计物理与复杂系统领域最具影响力的学术活动，每两年举办一届。第五届全国统计物理与复杂系统学术会议于2019年7月26日至7月29日在安徽举行，会议主要以邀请报告、口头报告及张贴报告的形式，交流国内外统计物理与复杂系统领域的最新进展，同时讨论中国统计物理与复杂系统研究的现状与发展趋势。此次会议由中国科学院理论物理研究所主办，中国科学技术大学承办，安徽大学、安庆师范大学、安徽师范大学协办。