Deterministic solutions of the Boltzmann equation represent a real challenge due to the enormous computational effort which is required to produce such simulations and often stochastic methods such as Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) are used instead due to their lower computational cost. In this work, we show that combining different technologies for the discretization of the velocity space and of the physical space coupled with suitable time integration techniques, it is possible to compute very precise deterministic approximate solutions of the Boltzmann model in different regimes, from extremely rarefied to dense fluids, with CFL conditions only driven by the hyperbolic transport term. To that aim, we develop modal Discontinuous Galerkin (DG) Implicit-Explicit Runge Kutta schemes (DG-IMEX-RK) and Implicit-Explicit Linear Multistep Methods based on Backward-Finite-Differences (DG-IMEX-BDF) for solving the Boltzmann model on multidimensional unstructured meshes. The solution of the Boltzmann collision operator is obtained through fast spectral methods, while the transport term in the governing equations is discretized relying on an explicit shock-capturing DG method on polygonal tessellations in the physical space. A novel class of WENO-type limiters, based on a shifting of the moments of inertia for each zone of the mesh, is used to control spurious oscillations of the DG solution across discontinuities. The order of convergence is numerically measured for different regimes and found to agree with the theoretical findings. The new methods are validated considering two-dimensional benchmark test cases typically used in the fluid dynamics community. A prototype engineering problem consisting of a supersonic flow around a NACA 0012 airfoil with space-time-dependent boundary conditions is also presented for which the pressure coefficients are measured.


翻译:Boltzmann 方程式的确定性解决方案代表了一场真正的挑战,因为由于计算成本较低,因此需要大量计算性努力来生成此类模拟,而且往往使用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)等随机方法。在这项工作中,我们表明,将速度空间和物理空间离散的不同技术与适当的时间整合技术结合起来,可以对Boltzmann模型在不同制度中的非常精确的确定性近似解决方案进行计算,从极稀有的液体到密集的液体,CFL条件仅由超双曲运输期驱动。为此,我们开发了模型不连续的Galerkin(DG) 隐含的 Outrict-Explic Gutge 方案(DG-IMEX-RK) 和不透明线性线性线性多步方法(DG-IMEX-BDF) 的不同技术, 用于在多维度的不结构的流动流体流中解决 Boltzmann 模型, 考虑着两个波尔茨曼碰撞操作器的解决方案是通过快速的光谱谱传输方法获得的。 正在快速光谱中, 而运行轨道的轨道的轨道 水平的系统则使用一个直径解的直径解的直径方标准。

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