Numerical and Theoretical Analysis of Model Equations for Multicomponent Rarefied Gas

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Model equations approximating the system of Boltzmann equations for a multicomponent gas are investigated. Methods for determining parameters in relaxation terms corresponding to cross-collision integrals are analyzed. Numerical solutions based on three model systems and the Boltzmann equations are compared as applied to the following problems: relaxation of a mixture to equilibrium, shock wave structure, and the dynamics of a vapor-gas cloud generated by pulsed laser irradiation of a target. It is shown that the parameters in the relaxation operators influence the degree of difference in the solutions produced by the various models.

About the authors

A. A. Frolova

Federal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: aafrolova@yandex.ru
119333, Moscow, Russia

References

  1. Шахов Е.М. Обобщение релаксационного кинетического уравнения Крука // Изв. АН СССР. МЖГ.1968. № 5. С. 142–145.
  2. Holway L.H. New statistical models for kinetic theory: Methods of construction // Phys. Fluids. 1966. V. 9. P. 1658.
  3. Larina I.N., Rykov V.A. Nonlinear nonequilibrium kinetic model of the Boltzmann equation for monatomic gases // Comput. Math. Math. Phys. 2011. V. 51. № 11. P. 1962–1972.
  4. Konopel’ko N.A., Shakhov E.M. Evolution to a steady state for rarefied gas flowing from a tank into a vacuum through a plane channel // Comput. Math. Math. Phys. 2017. V. 57. № 10. P. 1695–1705.
  5. Konopel'ko N.A., Titarev V.A., Shakhov E.M. Unsteady rarefied gas flow in a microchannel driven by a pressure difference // Comput. Math. Math. Phys. 2016. V. 56. № 3. P. 470–482.
  6. Titarev V.A., Shakhov E.M. Efficient method for computing rarefied gas flow in a long finite plane channel // Comput. Math. Math. Phys. 2012. V. 52. № 2 P. 269–284.
  7. Шахов E.М. Течение разреженного газа между коаксиальными цилиндрами под действием градиента давления // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2003. Т. 43. № 7. С. 1107–1116.
  8. Gross E.P., Krook M. Model for collision processes in gases: small amplitude oscillations of charged two-component systems // Phys. Rev. 1956. V. 102. № 3 . P. 593–604.
  9. Goldman E., Sirovich L. Equations for gas mixtures // Phys. Fluids. 1967. V. 10. № 9. P. 1928–1940.
  10. Morse T.F. Kinetic model equations for a gas mixture // Phys. Fluids. 1964. V. 7. № 12. P. 2012–2013.
  11. Hamel B.B. Kinetic model for binary gas mixtures // Phys. Fluids. 1965. V. 8. № 3. P. 418–425.
  12. Garzo V., Santos A., Brey J.J. A kinetic model for a multicomponent gas // Phys. Fluids A . 1989. V. 1. № 2. P. 380–383.
  13. Andries P., Aoki K., Perthame B. A consistent BGK-type model for gas Mixtures // J. Stat. Phys. 2002. V. 106. № 5. P. 993–1018.
  14. Groppi M., Monica S., Spiga G. // A kinetic ellipsoidal BGK model for a binary gas mixture // Europhys. Lett. 2011. V. 96. № 6. P. 64002.
  15. Brull S. An ellipsoidal statistical model for gas mixtures // Commun. Math. Sci. 2014. V. P. 1–13.
  16. Kosugo S. Model Boltzmann equation for gas mixtures: Construction and numerical comparison // Eur. J. Mech – B Fluids Mechanics B/Fluids. 2009. V. 28. P. 170–184.
  17. Bobylev A.V., Bisi M., Groppi M., Spiga G., Potapenko I.F. A general consistent BGK model for gas mixtures // Kinetic Related Models. 2018. V. 11. № 6. P. 1377–1393.
  18. Haack J.R., Hauck C.D., Murillo M.S. A conservative, entropic multispecies BGK model // J. Stat. Phys. 2017. V. 168. № 4. P. 826–856.
  19. Klingenberg C., Pirner M., Puppo G. A consistent kinetic model for a two component mixture with an application to plasma // Kinetic Related Models. 2017. V. 10. № 2. P. 445–465.
  20. Todorova B., Steijl R. Derivation and numerical comparison of Shakhov and Ellipsoidal Statistical kinetic models for a monoatomic gas mixture // Europ. J. Mech. B/Fluids. 2019. V. 76. P. 390–402.
  21. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967.
  22. Pfeiffer M., Mirza A., Nizenkov P. Multi-species modeling in the particle-based ellipsoidal statistical Bhatnagar-Gross-Krook method for monatomic gas species// Physics of Fluids 2021. V. 33. №. 3. P. 036106.
  23. Kolobov V., Arslanbekov R., Aristov V., Frolova A., Zabelok S. Unified solver for rarefied and continuum flows with adaptive mesh and algorithm refinement // J. Comput. Phys. 2007. V. 223. P. 589–608.
  24. Черемисин Ф.Г. Консервативный метод вычисления интеграла столкновений Больцмана // Докл. АН 1997. Т. 35. № 1. С. 1–4.
  25. Морозов А.А., Фролова А.А., Титарев В.А. On different kinetic approaches for computing planar gas expansion under pulsed evaporation into vacuum // Physics of Fluids. 2020. V. 32. С. 112005.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (409KB)
3.

Download (310KB)
4.

Download (535KB)

Copyright (c) 2023 А.А. Фролова

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».