过渡流区N-S/DSMC耦合计算研究

在已有CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展适于流场分区信息交换的亚松弛技术,建立了N-S/DSMC耦合算法.通过对近连续过渡流区不同Kn数条件下钝锥绕流计算与低密度风洞试验结果比较分析,一方面证明了本文所建立的N-S/DSMC耦合计算模型和方法在低Kn数过渡流区的有效性,另一方面剖析了N-S/DSMC耦合计算误差,可望发展一个工程适用的近连续过渡流区高超声速飞行器气动特性预测分析工具.     

天宫飞行器过渡流区高超声速绕流N-S/DSMC耦合计算

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚松弛计算技术,建立了适于残骸碎片两体不同间隔绕流干扰流场的N-S/DSMC耦合算法。对天宫飞行器两舱结构体在过渡流区低密度风洞试验状态进行了耦合计算,计算结果与风洞试验结果吻合很好,验证了所建立的耦合算法对再入解体残骸碎片气动特性计算的有效性和可靠性。通过对天宫飞行器解体碎片的简化外形球和球柱体在过渡流区高超声速两体干扰气动特性进行不同间隔绕流场耦合计算分析,结果表明,在一定的距离范围内,两体干扰会对残骸碎片的气动特性产生较强的影响,不同的残骸碎片外形在不同距离的干扰规律不一致。计算结果为天宫飞行器再入解体气动融合轨道数值预报提供设计依据。     

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。     

高超声速飞行器DSMC／EPSM自适应当地时间步长混合算法

采用优化的DSMC/EPSM混合算法,研究了高超声速飞行器三维复杂流场在近连续区的气动力热特性.发展了一种DSMC/EPSM自适应当地时间步长混合算法,根据网格内仿真分子的碰撞数,自动调整网格中进行仿真分子运动和碰撞计算的时间步长,有效地提高了程序的计算效率和计算精度.用DSMC方法、DSMC/EPSM混合算法和DSMC/EPSM自适应当地时间步长混合算法对比计算了三维复杂飞行器流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、热分布参数,证明了DSMC/EPSM自适应当地时间步长混合算法大幅度缩短了流场稳定所需的CPU时间,并且不降低流场模拟结果的精度.     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

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。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

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。     

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

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。     

高超声速非平衡流场多个振动温度模型的数值研究

利用数值求解热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,建立了考虑一个和多个振动温度的高超声速热化学非平衡流场的CFD计算程序,并对半球模型和球锥模型进行了数值计算,研究结果表明:(1)各个分子组分的振动温度分布于考虑一个振动温度模型的振动温度周围,即一个振动温度模型的振动温度是多个振动温度模型的各个分子组分振动温度的一种平均值;(2)在模型身部,振动温度的峰值高于平动温度的峰值;在模型近尾出现振动温度冻结并高于平动温度。     

高超声速平头圆柱绕流化学反应流场的DSMC/EPSM混合算法研究

本文发展了平衡粒子模拟方法(EPSM)，建立了与高温气体化学反应动力学理论相匹配的EPSM耦合模型，并通过混合参数进行流区的自动识别，将EPSM方法与蒙特卡罗直接模拟方法(DSMC)结合，构造了可模拟化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法。应用该算法对汲及化学反应的轴对称情况下高超声速平头圆柱绕流流场进行模拟，将结果与DSMC方法的结果进行比较，验证了新算法对求解化学反应流动的可行性。将混合算法的计算效率与DSMC方法的计算效率进行比较，发现混合算法能够大大提高计算效率。     

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。     

高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

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。     

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.     

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.      

DSMC量子动理学化学反应模型的数值模拟

为评估直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法中新近发展的一种量子动理学（QK）化学反应模型,在自研高超声速稀薄气体流动数值模拟软件RariHV中实现该模型,并进行了单个绝热单元内的热泳平衡/非平衡反应测试。结果表明,数值解与理论解吻合良好,QK模型具有很好的预测化学反应流动的能力。为进一步验证QK模型在真实流动中的表现,还计算了高超声速绕圆柱的化学反应流动,QK模型计算的驻点线上温度和组分分布都与总碰撞能（TCE）模型结果吻合良好。相较于TCE模型,QK模型的优势是不再依赖反应速率系数的实验数据,在深空探测等化学反应数据缺乏的领域具有一定的应用前景。