跨流域空气动力学模拟方法与返回舱再入气动研究

针对回收类航天器(返回舱)再入过程所遇跨流域多尺度非平衡绕流问题,综述基于Boltzmann方程碰撞积分物理分析与可计算建模,构造考虑完全气体、转动非平衡、含振动能激发热力学非平衡效应各流域统一Boltzmann模型方程,及由此建立返回舱再入气动力热绕流问题气体动理论统一算法研究进展与算法检验。作为方法间验证结合,进一步简述了融合再入热化学稀薄气体电离非平衡流动DSMC方法、近连续过渡流区N-S/DSMC耦合算法、经滑移边界修正的N-S方程解算器、低密度风洞实验测试等多种空气动力学模拟手段,建立求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法(GKUA)、DSMC、N-S/DSMC、滑移N-S解算器、低密度风洞实验验证补充,适于返回舱再入从外层空间自由分子流到近地面连续流跨流域空气动力学一体化模拟平台。将此平台用于再入H=110～30km各流域球体、高超声速尖前缘中空柱裙、返回式卫星球锥体、飞船返回舱稀薄过渡流以至近连续流区气动力/热与姿态配平绕流问题计算与实验分析比较,证实统一算法在高稀薄流区,与DSMC吻合很好;在连续流区,与(滑移)N-S解算器相一致;在中间过渡带,与N-S/DSMC耦合算法相容;具有全飞行流域很好的计算一致收敛性。简述了跨流域空气动力学几种模拟手段的适应性特点与展望,揭示了返回舱再入跨流域复杂高超声速流动变化规律。     

探月返回器稀薄气体热化学非平衡特性数值模拟

通过发展直角/非结构混合网格下,适于复杂返回器含内能激发的五组元热化学非平衡稀薄气体直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法,数值模拟了钝体返回器稀薄流区7.5 km/s和10.6km/s再入速度下的非平衡流场特性和对物面气动力/热分布的影响。计算结果表明在月球返回速度下稀薄过渡流区存在着强烈的热化学非平衡,近连续滑移区仅在激波层区域存在着较大的平动、转动和振动非平衡度,而在高稀薄流区,热力学非平衡遍布绕流物体四周,包括整个压缩区和尾迹区。高温真实气体效应对表面热环境影响显著,对表面压力和摩擦力的影响相对较弱。计算结果显示探月返回器再入绕流过程100 km飞行高度仍需要考虑热化学非平衡的影响。     

稀薄流区高超声速飞行器表面缝隙流动结构及气动热环境的分子模拟

针对高空稀薄流区的高超声速飞行器表面缝隙或缺陷结构导致的局部气动加热问题,采用直接模拟Monte Carlo(DSMC) 方法研究了70、75、80km和90km等4个飞行高度下稀薄流区高超声速缝隙流动问题,考虑稀薄气体效应和三维效应对缝隙内部流场结构和热流的影响。结果表明:上述飞行高度下,外部流动的分离和再附在缝隙内部形成一个充满腔体的单涡结构；稀薄气体效应对缝隙内部流动结构和壁面热流影响明显,随着高度的增加,主涡涡心上移,其形状逐渐变得“扁长”,右上角逐渐变尖,热流越来越集中分布于缝隙下游侧面的顶部区域；三维缝隙效应阻碍来流气体分子进入缝隙,导致主涡涡心上移,二维缝隙假设会高估缝隙表面的热流。      

稀薄大气下机械展开式再入飞行器气动特性研究

以机械展开式再入飞行器为研究对象,采用DSMC(直接蒙特卡洛模拟)方法计算分析了其在稀薄大气环境下的气动特性.讨论了飞行器在不同高度下的流场特性和升阻及配平特性,结果表明飞行器流场及受力特性对大气稀薄程度显示出较强的敏感性;进一步分析了连续流过渡至稀薄大气下飞行器的阻力系数,得出了随着来流Knudsen数增加,大气稀薄效应逐渐显现,传统的CFD方法已不再适用于描述流动特征的结论,同时给出了依据来流Knudsen数大小采取CFD和DSMC方法分别进行计算分析的建议.     

DSMC量子动理学模型在火星再入流动中的应用

为解决化学反应模型高温数据缺乏的难题，探索DSMC方法量子动理学（QK）模型在实际中的应用，本文将该模型进一步应用于火星探测器稀薄气动特性的数值预测。通过计算探路者号在85 km、95 km和110 km高度的稀薄绕流，评估了QK模型的性能和稀薄气体效应的影响规律。结果表明，QK模型不依赖宏观的化学反应速率系数，适用于火星再入流动计算。化学反应及其模型对气动力的影响很小，但对气动热特性的影响不容忽略，考虑化学反应后的驻点热流可以下降约12%~14%。     

球锥钝头体再入稀薄气体电离过程三维DSMC模拟与验证

采用增大电子质量三个数量级并相应调整离子质量的方法,拓展化学反应的DSMC仿真方法处理稀薄气体电离过程;采用单温度模型处理全部化学反应,修正涉及电子的反应速率常数以保证真实化学反应速率;以直角/非结构网格相结合,运用碰撞网格自适应技术,基于MPI并行环境,开发适用于真实复杂外形的三维稀薄气体电离DSMC计算程序。对RAM-C II外形的再入绕流稀薄气体电子密度进行模拟验证,所得结果与飞行试验测量值吻合较好;对Stardust外形的再入稀薄段电离特性数值仿真分析,电子密度等值线云图与参考文献结果一致。相较于稀薄气体不含电离反应的DSMC方法,本文发展的模型和程序不会导致计算量的显著增大,可直接应用于三维复杂外形体极高速再入条件下的稀薄气体电离计算,为工程设计提供技术支持和指导作用。计算结果表明,极高速再入条件下传统稀薄流区的电子数密度足以引起通信黑障,需在通信设计上给予高度关注。     

稀薄流高超声速钝化前缘逆向射流流场特征研究

为准确预测稀薄过渡区逆向射流对稀薄大气的干扰流动特征，本文采用直接蒙特卡洛算法（DSMC），在自由流马赫数为7的情况下，对稀薄流中逆向射流干扰下的高超声速流动进行了数值模拟。计算中考虑了60～90 km高度的典型大气环境，研究了压比和自由流克努森数对压力、剪切力和热流密度的影响规律。结果表明，逆向射流改变了流场结构，且具有明显的热防护性能，但减阻效果不明显。逆向射流对高超声速稀薄来流的影响随压比的增加明显增强，形成的马赫盘大小也随之增加。高度的增加伴随稀薄效应不断增强，自由流克努森数增大，导致弓形激波厚度随高度增加而增加，壁面处的回流区范围不断减小至消失。这项研究初步揭示了稀薄流中逆向射流/高超声速流动相互作用的机制。     

基于并行CFD和优化技术的返回舱外形多目标优化设计

在给定的质心设计范围内,围绕球冠倒锥返回舱外形的高超声速气动单点静稳定性、配平升阻特性、质心横偏量的综合设计问题,提出了多点多目标优化设计数学模型。通过多目标优化设计方法结合并行数值模拟技术,对该多点多目标气动外形优化设计问题进行研究,为了加快多点数值计算进度,采用了嵌套并行方法,通过有效利用硬件资源来提高多个状态气动数值求解效率。根据以上方法给出的最优设计边界指出了返回舱单点静稳定性与配平升阻比和质心横偏量的矛盾关系,改善单点静稳定性会导致配平升阻比下降,使质心横偏量增加;反之,配平升阻比增加,质心横偏量减少都会使单点静稳定性变差。     

火星进入器高空稀薄气动特性

针对火星稀薄大气环境进入器气动特性问题,以类火星科学实验室外形为例,计算分析火星稀薄大气真实气体效应对气动特性的影响,给出火星高空稀薄环境下的气动特性规律。研究发现,随着飞行高度的增加,稀薄度增加,激波脱体距离、激波厚度增大,激波强度减弱,明显的激波结构逐渐消失,流场等值线更趋于圆弧状分布;真实气体效应使得迎风面压缩及背风面膨胀增强,轴向力、法向力及顶点力矩系数等预测结果与完全气体模型预测结果相比绝对值偏大;随着稀薄度增大,轴向力、法向力及顶点力矩系数等绝对值增大,在同样的迎角下,随稀薄度的增加,纵向压心前移,进入器的静稳定性变差。     

基于并行CFD和优化技术的返回舱外形多目标优化设计北大核心CSCD

在给定的质心设计范围内,围绕球冠倒锥返回舱外形的高超声速气动单点静稳定性、配平升阻特性、质心横偏量的综合设计问题,提出了多点多目标优化设计数学模型。通过多目标优化设计方法结合并行数值模拟技术,对该多点多目标气动外形优化设计问题进行研究,为了加快多点数值计算进度,采用了嵌套并行方法,通过有效利用硬件资源来提高多个状态气动数值求解效率。根据以上方法给出的最优设计边界指出了返回舱单点静稳定性与配平升阻比和质心横偏量的矛盾关系,改善单点静稳定性会导致配平升阻比下降,使质心横偏量增加;反之,配平升阻比增加,质心横偏量减少都会使单点静稳定性变差。     

返回舱再入过程中烧蚀影响研究

返回舱再入过程中,气动外形随着防热材料的烧蚀后退逐渐发生改变,可能对返回舱的再入性能带来不利反应。笔者前期对类联盟号返回舱在再入末段单个弹道点开展过烧蚀对配平特性的影响研究,为进一步研究烧蚀潜在的影响,通过烧蚀模型和吸热机理对类联盟号返回舱进行材料烧蚀计算,获得再入过程中4个不同时刻的烧蚀外形,它们的最大烧蚀量分别为2.3mm、7.8mm、9.8mm及12.5mm,在此基础上采用数值模拟方法对返回舱的烧蚀影响进行了研究,对初始外形和4个不同时刻的烧蚀外形分别进行气动特性的计算与分析,并与前期研究结果进行比较。结果显示:返回舱的烧蚀后退量将随着弹道的推移逐渐增大;烧蚀将使返回舱配平迎角减小(绝对值增大),配平升阻比增加,纵向压心前移,且这种影响随着烧蚀量的增加而增大;在研究范围内,配平迎角变化量与烧蚀后退量基本呈线性关系。该研究结果与文献对CEV乘员舱的研究结论在定性上是相符的,同时也验证了前期的研究结论。     

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000～2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。     

球双锥外形稀薄过渡流区气动特性研究

采用风洞试验和工程计算相结合的方法,对球双锥类外形的稀薄过渡流区气动特性进行了研究。风洞试验在高超声速低密度风洞中进行,设计了高灵敏度的外式微量天平,解决了温度防护和高精度校准的问题,得到了球双锥外形在高度65km~75km、高超声速流动的气动力数据。在此基础上,结合球双锥细长体外形绕流的特点和DSMC数值模拟结果,从连续流粘性干扰模型、关联参数选取、过渡流搭桥函数等三个方面对现有工程计算方法进行了改进。研究结果表明:稀薄效应对球双锥外形的气动特性,尤其是轴向力系数和升阻比产生非常大的影响;计算与试验结果的对比表明,计算模型的改进效果显著,大幅度提高了预测值的准度。     

电离对高超声速稀薄流飞行器气动热影响

将电离反应模型扩展到（direct simulation Monte Carlo,DSMC）方法中,研究了电离反应效应对高超声速稀薄流飞行器气动热的影响特性.针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入“捆绑法”思想处理电子在流场中的运动,并给出了电离反应模型及电离反应处理方法.在以RAM-C Ⅱ飞行器外形为例对增加了电离反应的DSMC代码进行验证的基础上,以“星尘号”探测器外形为研究对象,针对不同飞行高度下5组元混合气体模型（无电离）和11组元混合气体模型（含电离）的化学非平衡流动开展了数值模拟,细致分析和对比了电离反应效应对探测器气动热的影响规律.研究结果表明:采用的电离反应处理方案能够模拟带电离反应的高超声速化学非平衡稀薄流动.在飞行高度为60km时电离反应对探测器气动热的影响最为强烈,使探测器的驻点热流密度降低了5.12%,电离反应对探测器气动热的影响随气体稀薄程度增加而减弱.      

解耦N-S/DSMC方法计算推力器真空羽流的边界条件研究

准确模拟羽流流场是合理评估空间推力器真空羽流效应的基础。因羽流流场同时包含连续和稀薄两种流动机理,通常采用解耦方式的Navier-Stokes(N-S)方程和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)混合方法对其进行模拟。为保证解耦N-S/DSMC方法应用于羽流计算时的准确性并尽量提高其计算效率,对计算中的DSMC入口和喷管壁面等边界条件设置问题开展了研究。通过与文献中低总压工况的羽流试验数据比较,确定了合理设置DSMC入口边界位置、壁面反射类型、壁温等边界条件的方法。针对将此方法应用于实际推力器工况计算时效率过低的问题,通过多种数值试验,表明从喷管出口处开始沿KnGL为0.05的等值线作为DSMC入口界面可同时保证仿真精度和较高的计算效率;并证明实际工况下壁温设置对羽流场仿真结果影响不大。     

返回舱烧蚀外形对配平特性影响分析

为研究烧蚀对返回舱配平特性的影响,采用数值模拟方法计算分析了类联盟号返回舱在不同马赫数下的配平特性,同时研究了因烧蚀防热层厚度变化所引起的气动外形改变后的气动特性,尤其是配平特性的变化情况。结果表明:在高超声速段(Ma8),类联盟号返回舱的配平攻角绝对值和配平升阻比随着马赫数的增大而减小;因烧蚀防热层厚度变化所引起的气动外形变化后,配平攻角绝对值会增大,配平升阻比也相应增加;研究结果与国外文献中对CEV外形的研究结论相符合,类联盟号外形与CEV外形在配平特性上具有相同的变化规律,烧蚀对其配平特性的影响规律也相同。     

基于Boltzmann模型方程不同流区复杂三维绕流HPF并行计算

随着现代航空航天快速发展,是否能建立一套可有效模拟稀薄流到连续流各流域绕流问题统一算法,已成为工程应用部门和学术研究领域关心的问题。通过开展基于Boltzmann简化速度分布函数方程数值求解,发展起从稀薄流到连续流统一算法。借助区域分解并行化方法研究建立气体运动论统一算法并行方案,通过对统一算法进行HPF并行化程序设计及算法考验,拟定不同流域三维球体绕流及类"神舟"返回舱外形体绕流算例,进行HPF并行计算,并将计算结果与有关实验数据、DSMC模拟值进行定量比较、分析。研究表明,所发展的统一算法具有很好的并行独立性,基本达到了线性加速的并行效果,算法负载平衡和并行可扩展性较好,可望建立起新型的能可靠模拟不同流域三维绕流问题的HPF并行算法研究方向。     

滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

针对滑移流区化学非平衡流中的气动热环境预测问题，采用多组分化学非平衡纳维-斯托克斯（N-S）方程对轨道验证飞行器（OREX）进行数值模拟，对比了有限催化和非催化、滑移和无滑移壁面条件下的气动加热，研究了壁面催化和滑移效应对气动热的影响规律，并分析了影响气动热的主要机制。结果表明：壁面催化和滑移效应均会影响流场物理量分布，高度为92.82 km时对激波脱体距离的影响较为明显；随着高度减小，有限催化与非催化壁面间的热流偏差增大，而滑移与无滑移壁面间的热流偏差减小；高度低于92.82 km时有限催化壁面计算得到的驻点热流值与飞行数据吻合较好，偏差均在11%以内；机制分析发现，催化效应对壁面附近的组分分布影响较大，滑移边界条件中的温度跳跃条件对壁面附近的温度分布影响显著。     

侧向喷流与飞行器三维绕流干扰流场特性的DSMC/EPSM数值模拟

采用DSMC/EPSM混合算法,研究了带有侧向喷流的复杂外形高超声速飞行器稀薄区和连续区三维混合流场的干扰特性。采用一种飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识的方法,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中。引入碰撞数做为混合参数,对流动区域进行划分,并通过网格中碰撞数的统计和处理,有效地将DSMC和EPSM方法结合在一起。仿真计算了三维复杂外形飞行器带喷流流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,对喷流与高超声速空气绕流相互作用以及它们与物面之间的相互扰动进行了分析,证明了采用的方案和技术的有效性。     

迎角动态变化对二元高超声速进气道气动特性的影响

针对高超声速飞行器受到扰动后迎角可能会发生瞬时大幅度改变或振荡的问题,对来流马赫数为4.03、迎角动态变化的二元高超声速进气道流场进行了非定常数值模拟,分别在进气道等速上仰和按正弦波振荡条件下研究了迎角动态变化对进气道气动特性的影响。计算结果表明:迎角动态变化时,进气道流场特征和性能参数的变化规律和稳态时情况基本保持一致,但是存在明显的迟滞现象;二元高超声速进气道动态上仰的迎角速率越大,进气道发生不起动时的迎角值越大;在进气道下壁面附近的低速区,非定常效应的影响显著,受进气道固壁面运动的影响,低速区的产生、发展及消失影响进气道气动特性。