高超声速稀薄流的气粒多相流动DSMC算法建模研究

基于直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,构造适用于DSMC算法的固态和液态颗粒碰撞、聚合和分离模型,发展稀薄条件下双向耦合作用的气粒多相流的DSMC算法,在此基础上初步实现高超声速稀薄流环境中的气粒多相喷流流场数值模拟.算例结果表明该方法能为稀薄过渡区气粒多相流动提供一种新的应用研究手段.     

二维过渡区喷流干扰流场的DSMC/EPS仿真

应用DSMC／EPS混合算法，数值模拟过渡区有RCS横向喷流干扰的二维有限平板高超声速流场，分析了流场结构、分离形态及物面气动系数分布等特性。结果表明，不同：Knudsen数下，喷流干扰流场存在差异，过渡区中的稀薄气体效应得以体现，证明了DSMC／EPS混合算法是研究稀薄，连续混合区域高超声速流动的有效方法。     

稀薄过渡流区横向喷流干扰效应数值模拟研究

为了准确预测稀薄过渡流区横向喷流与稀薄大气的干扰流动特征,本文在建立直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及碰撞网格自适应算法基础上,提出基于MPI的静态随机负载平衡技术,构建了DSMC并行计算代码。计算的不同压力比条件下三维平板模型横向喷流与稀薄大气干扰的分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性,验证了本文算法的可靠性。开展了细长钝双锥外形高超声速稀薄来流与超声速/高超声速横向喷流干扰效应的研究,计算分析了不同飞行高度、不同飞行速度、不同飞行攻角、不同喷流推力下复杂流场结构和对气动力特性的影响规律。考察了RCS喷管出口参数不同(均匀/非均匀)对喷口附近分离涡和分离长度的影响。     

一种稀薄两相流动的数值模拟方法

从描述粒子运动的微观层次出发,采用双向耦合技术,建立了一种适用于稀薄条件下两相流动的DSMC数值模拟方法。对相间相互作用进行解耦处理,实现了气固两相间动量和能量相互作用的模拟。相关算例验证了方法的可靠性。结果表明:在大样本统计平均条件下,该模拟方法能够保证相间动量和能量交换时守恒,固体颗粒尺寸、气体稀薄程度等条件对相间的相互作用有很大的影响。     

二维过渡区含化学反应的喷流干扰流场DSMC/EPSM仿真

构造可仿真含化学反应的稀薄／连续不同流动区域的DSMC／EPSM混合算法，应用该算法，数值模拟过渡区有横向喷流干扰的二维有限平板高超声速化学反应流场，分析流场结构和物面气动系数分布等特性，充分反映稀薄／连续混合区域高超声速流动中的化学反应效应，同时通过与DSMC算法比较，论证DSMC／EPSM混合算法的可行性与计算效率相对提高的优越性。     

横向喷流干扰中的真实气体效应研究

建立了包括湍流、两相流和非平衡化学反应模型的统一算法,并对横喷干扰流动中的高温异质喷流、两相流、非平衡燃烧效应分别进行了计算分析。研究表明,非平衡燃烧效应对干扰流场及模型气动力的影响最大,高温异质喷流次之,两相流效应的影响最小;非平衡燃烧是引起冷、热喷条件下轴向力系数出现明显差异的最主要因素;虽然固相颗粒本身对干扰流场影响非常小,但它会从造成气相质量流率损失的角度对流动产生影响。因此,在风洞试验的模拟准则中应对上述因素予以考虑。     

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。     

侧向控制喷流干扰流场特性数值研究

侧向喷流是导弹在中高空进行姿态控制的重要手段.本文用数值方法求解N-S方程,模拟了二种带侧向喷流控制的喷流与绕流的干扰流场.通过定性流场结构和物面压力分布与实验结果的比较,数值模拟能较好地模拟侧向喷流与外流干扰产生的复杂流场特性.给出了合理的流场结构和干扰气动力特性,表明数值方法可以作为型号侧向喷流控制设计的研究手段.     

星孔型装药发动机三维两相流场的数值模拟

为了研究颗粒在星孔型装药固体火箭发动机燃烧室和喷管中的运动轨迹以及颗粒与发动机壁面的碰撞情况,针对可压两相流动,采用了高雷诺数下的k ε湍流模型和欧拉 拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC方法进行气固耦合计算。计算得出了流场内两相的速度、温度等参数的分布及多种情况下固体颗粒的运动轨迹。在燃气生成量确定的情况下,从距离喷管较近的某些位置进入流场的颗粒比较容易撞击壁面;颗粒的尺寸和局部产生的旋涡对颗粒的轨迹和碰撞也会产生较大的影响。     

高超声速主流中完全气体横向喷流干扰特性研究

运用风洞试验和数值模拟手段,建立了横喷干扰效应研究的基本方法,对小钝双锥模型的完全气体横向喷流干扰问题进行了研究.首先通过试验和计算结果的对比进行方法验证,其次进行了横喷干扰的流动机理和参数影响分析.主要包括以下内容:a.无喷和喷流条件下,流场结构、模型壁面压力分布、气动力特性的试验与数值计算结果比较;b.完全气体横向喷流的气动干扰效应分析;c.攻角、喷流压比、喷流马赫数、来流边界层状态等内、外流参数变化对横向喷流干扰效应的影响分析.     

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.     

超声速平头圆柱绕流DSMC/EPSM混合算法研究

本文将EPSM算法与DSMC方法结合，构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC／EPSM混合算法。运用混合算法模拟马赫数等于5．37时超声速平头圆柱绕流，并与DSMC结果进行比较，证明了DSMC／EPSM混合算法的有效性，并对两种算法的计算效率进行了比较。     

三维管道超声速气固两相流动的CFD/DSMC仿真

采用NND格式求解气相N-S方程，采用DSMC方法模拟固相颗粒运动，数值模拟了三维管道超声速气固两相流场，分析了固体颗粒对流场结构产生的影响。计算结果表明，将DSMC方法与CFD方法相结合是解决气固两相流动问题的一种有效途径。     

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.      

有限平板绕流Monte—Carlo方法仿真

本文采用直接仿真Monte-Carlo方法求解有限长平板绕流等问题。本方法是通过计算机跟踪仿真分子的运动来实现数值模拟的。仿真分子间的碰撞计算由统计抽样确定。碰撞模型分别选用了硬球分子模型和负幂律分子模型。仿真分子与固壁作用采用由完全扩散反射和镜面反射按比例混合组成的模型。为了检验方法的可靠性,还计算了激波结构和Rayleigh问题等一维流动,二维计算采用同步并行程序。数值结果表明直接仿真Monte-Carlo方法能够较好地模拟稀薄气体力学中的一些问题。对于二维计算,所花费的机时和所需的内存均在国内机器所允许的范围内。     

阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征的蒙特卡罗数值模拟

本文对阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征进行了蒙特卡罗直接模拟（ＤＳＭＣ）。采用中点数值逼近法确定模拟分子与物面碰撞点，利用网格编号将三维计算问题一维化，把流场入口处的分子补充与分子排序有效结合，利用分子横穿流场次数确定流场稳定前的时间步长计算次数。简化了计算过程，大大节约了计算机时和内存。给出了指令舱从自由分子流到过渡区不同Ｋｎｕｄｓｅｎ数、各攻角下的气动特征。模拟结果与有关理论、实验数据相比，证实     

高超声速化学非平衡流动Navier-Stokes/DSMC耦合算法

基于相同的化学反应模型,在已有计算流体力学（CFD）和直接仿真蒙特卡罗（DSMC）方法及程序的基础上,采用Modular Particle-Continuum（MPC）耦合技术,建立了包含化学非平衡Navier-Stokes/DSMC耦合算法。算法结构中DSMC计算区域在CFD计算结果上根据当地克努森数自动选取。发展了适用于流场分区信息交换的亚松弛技术,抑制DSMC方法对CFD计算的影响。把DSMC方法和CFD的应用范围拓展到过渡流区,为复杂飞行器近连续过渡流区高超声速化学非平衡流动数值模拟研究提供了一种工程适用的预测分析手段。通过对二维圆柱高超声速化学非平衡绕流的算例与其他结果的比较研究,表明耦合算法不论在流场结构、流场非平衡现象,还是飞行器表面参数、整体气动力/热特性方面,都能够得到与全DSMC计算吻合的结果,证实了所建立的Navier-Stokes/DSMC耦合计算模型与方法的有效性和可靠性。仿真了某航天器解体碎片在过渡区的化学非平衡流动,得到碎片在过渡区的气动力/热特性,为碎片的陨落计算提供依据。