稀薄气体动力学的非线性耦合本构方程理论及验证

作为一种新兴的气体动力学本构方程理论体系,非线性耦合本构方程(NCCR)理论的创新之处在于黏性应力和热传导中抛弃了广义牛顿定律和傅里叶热传导定律,而是考虑熵条件从Boltzmann方程直接推导出了黏性应力和热传导非线性耦合输运方程即NCCR模型。NCCR模型在连续区域与广义牛顿定律和傅里叶热传导定律一致,但是在稀薄区域其非线性关系逐渐增强,即NCCR模型大大扩展了应力-应变和热传导-温度梯度的本构关系,为稀薄气体流动模拟提供了新的途径。为解决NCCR模型强非线性难题,发展了混合模态间断伽辽金求解NCCR和流动守恒方程的数值算法,成功避免了NCCR边界条件高阶量赋值的难题。并对典型亚声速、超声速NACA0012翼型绕流、高超声速圆柱绕流、极高马赫数圆柱绕流、微尺度激波-涡干涉、连续稀薄渐变算例、方腔流动进行了数值计算和验证。结果表明,在稀薄区域,NCCR模型准确捕捉到了流场信息,吻合于蒙特卡罗直接模拟(DSMC)或实验结果,包括:压力分布、速度分布、温度分布、壁面热流等。对圆柱绕流的进一步研究发现NCCR在低努森数下与Navier-Stokes方程结果相同,随着努森数升高两者差距逐渐扩大且在高努森数下NCCR吻合于DSMC和实验结果,从侧面证明了基于NCCR理论用同一套方程解决连续稀薄耦合流动的可能性。     

NCCR方程在近平衡气体流动区域的验证

不同于Grad矩方法(R13方程)和Chapman-Enskog展开(Burnett方程),Eu方法考虑H定理和熵增,由Boltzmann方程导出了气体动力学守恒方程的高阶量本构方程,暨NCCR方程,其在二维高Kn数稀薄气体领域得到了验证。首先呈现了NCCR与Grad矩方法和Burnett方程的区别,而后展示了由Boltzmann方程到守恒方程和NCCR本构方程暨建立联系稀薄统一算法的过程。解决NCCR方程强非线性难题,扩展了间断伽辽金求解NCCR和守恒方程的数值方法,耦合了Langmuir边界条件,并在近平衡区域对典型圆柱绕流、三维高超构型流场进行了数值计算和验证。验证结果表明,在近平衡区域NCCR准确捕捉到了流场信息,包括滞止线参数分布等;同时,NCCR模型在高超构型的后体区域,相比于NS方程更吻合于实验结果。研究为NCCR方程在三维领域的完善和在高Kn数稀薄流动区域的进一步验证提供了基础。     

基于修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法

随着稀薄程度的增加,Navier-Stokes方程的线性本构关系难以正确描述稀薄气体输运特性,高阶非线性本构关系往往数学形式极为复杂,对数值求解造成稳定性差等问题。为了发展适宜于近空间飞行器气动特性分析的高超声速稀薄流动模拟方法,本文利用求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(Gas Kineitc Unified Algorithm,GKUA)对应力张量、热流等宏观量数值积分求解的优势,提出了一种基于数值修正N-S方程本构关系的气体动理论耦合方法。通过将GKUA获得的应力张量及热流用于修正N-S方程的本构关系,实现了存在局部稀薄效应的流动模拟,并且通过可压缩平板边界层、圆柱绕流问题的数值模拟,验证了方法的有效性。     

动能BGK算法在近连续流模拟中的应用

首先比较详细地介绍了动能BGK算法的基本思想,然后应用该算法,数值模拟了克努森数(Knudsen number)为0.0001～1.56,马赫数为1.96绕圆柱的二维粘性流动,研究了滑移边界条件和无滑移边界条件对圆柱阻力的影响,通过与实验结果[5]进行比较,验证了文献[1]关于由连续流到自由分子流的这种流动模型的划分.计算结果表明:采用滑移边界条件,直到克努森数为0.3,计算得到的阻力与实验都符合得很好.因此,采用BGK算法加滑移边界条件,能够模拟由连续流到近连续区的流动.     

面向稀薄流非线性本构预测的机器学习方法

稀薄非平衡流域内连续介质假设已经失效,主要围绕Boltzmann方程及模型方程对稀薄非平衡流开展理论与计算研究,统一气体动理论格式（UGKS）是其中一种代表性方法。在稀薄非平衡流数值模拟中,Navier-Stokes （N-S）方程连续介质假设已经失效,不能有效描述流场非平衡特征。UGKS方法虽然计算精度高,但速度空间离散导致计算效率低下,多维高速条件下数值计算难以开展。基于数据驱动的思想,在N-S方程与UGKS方法的研究基础上发展出了一种稀薄非平衡流非线性本构关系求解方法（DNCR）。该方法以N-S与UGKS求解器获得的流场数值模拟计算结果作为训练数据集,基于流场特征参数采用极端随机树算法生成机器学习模型,对预测流场中线性黏性应力项与热流项进行非线性修正,并耦合非线性本构关系求解宏观守恒方程得到目标状态稀薄非平衡流动数值解。针对DNCR方法中所采用的机器学习方法-极端随机树模型,通过二维顶盖驱动方腔流算例对高维非线性建模涉及的特征参数选取、参数调优开展了相关验证工作,选取若干典型状态对极端随机树模型的泛化性能开展研究,并评估了相关模型与方法的计算精度与计算效率。     

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。     

稀薄效应对可倾瓦动压气体轴承性能的影响

以微型三可倾瓦动压气体轴承为研究对象,采用连续模型、一阶滑移模型和WU新滑移模型速度边界条件,建立考虑稀薄效应的滑移修正雷诺方程。结合牛顿迭代法和有限差分法求解修正雷诺方程,计算考虑稀薄效应的三可倾瓦动压气体轴承各瓦块压力分布和承载力。计算结果表明:三可倾瓦动压气体轴承偏心率越大,转速越大,压缩系数越大,轴承承载力越大;考虑稀薄效应后,计算出的可倾瓦动压气体轴承承载力明显下降,且随着克努森数的增大,WU新滑移模型计算得到的承载力明显低于一阶滑移模型。     

一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式

运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上，采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术，并耦合计算结构动力学，实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面，进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟，计算结果与参考文献结果吻合良好，准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围，将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型，对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题，但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力，对此进行了Ma=5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。     

扩散界面浸入边界法结合壁面模型在湍流模拟中的应用

提出了一种模拟高雷诺数湍流的扩散界面浸入边界法（IBM）。该方法采用壁面模型来减少壁面附近的网格量。为了实施壁面模型和边界条件，在物面外部设置了2个辅助层（一系列拉格朗日点）：外侧的参考层用于实施壁面模型来得到壁面剪应力，内侧的强制层用于实施离壁的边界条件。在实施壁面模型时，将动量方程沿物面法向积分，从而把物面切向的速度修正量与由壁面模型得到的壁面剪应力联系起来，而速度的法向分量则按二次曲线分布来近似重构。在实施边界条件时，为了严格满足无穿透条件，应用了基于隐式速度修正的IBM。最后，利用绕平板湍流和绕NACA0012翼型湍流来对方法的可行性进行了验证。     

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。     

Analytical method of nonlinear coupled constitutive relations for rarefied non-equilibrium flows

It is well known that Navier-Stokes equations are not valid for those high-Knudsen and high-Mach flows, in which the local thermodynamically non-equilibrium effects are dominant. To extend the non-equilibrium describing the ability of macroscopic equations, Nonlinear Coupled Constitutive Relation (NCCR) model was developed from Eu’s generalized hydrodynamic equations to substitute linear Newton’s law of viscosity and Fourier’s law of heat conduction in conservation laws. In the NCCR model, how to solve the decomposed constitutive equations with reasonable computational cost is a key ingredient of this scheme. In this paper, an analytic method is proposed firstly. Compared to the iterative procedure in the conventional NCCR model, the analytic method not only obtains exact roots of the decomposed constitutive polynomials, but also preserves the nonlinear constitutive relations in the original framework of NCCR methods. Numerical tests to assess the efficiency and accuracy of the proposed method are conducted for argon shock structures, Couette flows, two-dimensional hypersonic flows over a cylinder and three-dimensional supersonic flows over a three-dimensional sphere. These superior advantages of the current method are expected to render itself a powerful tool for simulating the hypersonic rarefied flows and microscale flows of high Knudsen number for engineering applications.     

壁判据用于计算流体力学（CFD）可信度评估

本文把作者提出的近壁干扰剪切流动(ISF)全域理论与流体运动方程组及流体在壁面上无滑移条件相结合导出一组壁面判据.壁判据为计算流体力学(CFD)仿真的可信度评估提供了基于流体理论的一条直接验证途径.对不可压缩流动的十一个熟知的NS方程组精确解,包括二维驻点和斜入射再附点流,二维分离点和背风驻点流,轴对称驻点和背风驻点流,旋转圆盘附近的三维Von Karman 流、收缩和扩张渠道流和非定常斜入射三维驻点流;以及经典边界层及其无粘外流和相似性边界层及其粘外流的NS方程组解,提出可用于验证近壁流动计算的几个壁相关函数.证实它们准确满足所有壁判据;说明壁判据可用来检验NS方程组数值解近壁计算结果的计算精度并验证其可信度.     

跨声速开槽壁超临界翼型洞壁干扰的N－S方程模拟

本文采用二维可压缩非定常Ｎ－Ｓ方程模拟了带有上下开槽壁的跨声速二维管风洞中超临界翼型绕流的流场。网格生成中内层采用解双曲型偏微分方程，外层采用代数生成法。开槽壁采用只有压力梯度没有顶板运动的Ｃｏｕｅｔｔｅ流动的解析解近似。推导出槽间流动与开闭比的三次方关系。上下壁边界层可由无滑移条件直接模拟，也可用平板边界层近似。本文对驻室压力作了几种近似处理，结果表明，所给Ｎ－Ｓ方程的边界条件与风洞实验多接近一步，其结果就符合得更好，这为下一步用Ｎ－Ｓ方程进行洞壁干扰修正打下了基础。     

小Knudsen数稀薄气体绕流流场分析

本文从Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程５矩和１３矩方程出发，应用三层模型分析了滑流国稀薄气体绕流流场的性态，提出了一个计算这种流场的完整模型。理论分析表明，摩阻系数的小Ｋｕｎｄｓｅｎ数效应是高除小量，可忽略不计；但必须考虑热传导系数的小Ｋｎｕｄｓｅｎ数效应。基于奇异摄动法分析，数值求解了绕二维平板流动流场，壁面摩阻系数和热流率的计算结果与现有的实验和理论结果相一致。     

用湍流附面层方程计算喷管内的对流换热

在流场计算的基础上,运用Patankar-Spalding方法积分求解了湍流附面层控制方程组,从而得到了固体火箭发动机喷管内燃气与壁面之间的对流换热。其中在附面层靠近壁面的底层区使用了Gouette流分析,在壁面边界和自由流边界处引入了滑移值的概念,因此保证了计算结果的相对准确性。最后将本文的计算结果与巴兹公式的计算结果和实验结果进行了比较。     

高阶精度格式WCNS-E-5在亚跨声速流动中的应用研究

采用高阶精度非线性紧致加权格式WCNS-E-5和Baldwin-Lomax模型,求解雷诺平均Navier-Stokes方程,开展了典型翼型与机翼的湍流流动数值模拟研究.对方程中粘性项采用的四阶精度差分近似以及网格导数求解与边界格式的四阶精度,保证了高精度算法的实现.计算结果表明:本文算法能够准确地模拟这些翼型与机翼的亚跨声速流场,得到与实验测量十分吻合的壁面压力分布,计算结果对网格的依赖性小.     

喷注壁面楔状流层流边界层速度与温度相似解

建立了壁面有喷注的楔状流层流边界层冷却数学模型,求解经相似变换得到的描述无量纲流函数和无量纲温度的常微分方程,获得了楔状流层流边界层无量纲速度和温度的相似解,给出了考虑壁面喷注边界条件的形式简洁、物理意义明确的无量纲流函数拟合式;用Runge-Kutta法求解无量纲速度与温度的常微分方程,获得了壁面有喷注的楔状流层流边界层无量纲速度和温度随楔形角、吹风参数、冷却介质温度的变化规律.通过计算0°,18°和36°楔形角的楔状流层流边界冷却速度与温度分布得到以下结论:楔状流速度边界层和温度边界层厚度都随楔形角的增大而变小,随着吹风参数的增大而增大;当冷却介质温度越低、吹风参数越小、楔形角越大时,靠近壁面处楔状流层流边界层内温度梯度越大.      

亚/超声速楔状流层流边界层速度与温度相似解及拟合解

利用相似变换获得了楔状流层流边界层无量纲流函数的3阶非线性常微分方程,用Runge-Kutta法求解微分方程获得了不同楔形角楔状流层流边界层无量纲速度随相似变量的变化曲线;推导了亚声速和超声速楔状流层流边界层无量纲温度关于相似变量的2阶线性齐次和非齐次微分方程,获得了温度分布的通解,恒壁温条件下亚声速楔状流和绝热壁面条件下超声速楔状流层流边界层无量纲温度解析解及指数函数形式的拟合解.以楔形角为0为例利用相似变换研究了超声速条件下气体压缩性及黏度随温度变化等因素对层流边界层速度与温度的影响,得出不可压缩常物性与可压缩变物性条件下无量纲速度相对误差绝对值小于9.8%的结论.研究表明:Pr越大贴近壁面处无量纲温度变化越剧烈;超声速条件下壁温低于绝热壁温时黏性耗散作用可以使层流边界层气体温度从壁面到主流间出现先升高后降低的变化.