基于Van Leer+AUSM混合格式超声速流场的并行数值算法研究

基于CLUSTER集群并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,开展了超声速流场的并行数值算 法研究。计算网格采用多块对接粘性结构网格,控制方程为积分形式的Navier\|Stoke s(N-S)方程,空间离散采用基于Van Leer+AUSM混合格式的有限体积法,粘性项采用中心 格式离散并利用格林定理计算粘性通量中的导数项,时间推进采用五步R-K法,应用一方程S -A模型计算湍流的粘性。并行计算采用 分区并行的思想,设计了满足负载平衡要求的区域分解和通讯方法,编程上采用单控制流多 数据流(SPMD)模型以及Master／Slave并行模式。最后,通过对某弹丸和某制导火箭弹超声 速流动的数值模拟, 验证了并行算法的准确性、高效性和处理复杂几何外形的能力。
     

三维热化学非平衡流动非结构网格DSMC方法及其应用

研究了过渡流域三维热化学非平衡流动DSMC方法实现的过程.以四面体非结构网格为基本单元,提出一种新型的高效搜索算法,该算法不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且可以准确判别分子与物面是否相互作用,避免了原有算法中分子表面反射的非确定论判据.设计了适合三维DSMC方法的动态局部时间步长技术,节约了计算时间.将碰撞距离的思想引入到非结构网格上来,有效地消除了网格尺度小于三分之一平均自由程的限制.利用Foaran90的动态分配内存技术编制了适用于任意外形的通用计算程序.最后对全尺寸航天飞机高超声速绕流进行了数值试验,计算结果验证了该算法的可行性及高效性.     

三维热化学非平衡流动非结构网格DSMC方法及其应用

研究了过渡流域三维热化学非平衡流动DSMC方法实现的过程。以四面体非结构网格为基本单元，提出一种新型的高效搜索算法，该算法不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移，而且可以准确判别分子与物面是否相互作用，避免了原有算法中分子表面反射的非确定论判据。设计了适合三维DSMC方法的动态局部时间步长技术，节约了计算时间。将碰撞距离的思想引人到非结构网格上来，有效地消除了网格尺度小于三分之一平均自由程的限制。利用Fortran90的动态分配内存技术编制了适用于任意外形的通用计算程序。最后对全尺寸航天飞机高超声速绕流进行了数值试验，计算结果验证了该算法的可行性及高效性。     

大型航天器再入陨落时太阳翼气动力/热模拟分析

采用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内能激发和化学反应来准确模拟气动加热,并基于MPI环境的并行算法解决计算量庞大的难题。通过计算分析太阳翼水平和垂直放置时在不同高度、不同攻角下的复杂流动特征,表明在90km以上高空,太阳翼垂直放置时,飞行器头部脱体激波与帆板脱体激波会产生更强烈、更复杂的激波/激波和激波/边界层的干扰,在气动力和气动热的双重作用下要比水平放置时的太阳翼更快地被撕裂并脱离目标航天器。     

高超声速飞行器复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案

采用DSMC方法,研究了高超声速三维复杂外形飞行器在过渡领域飞行的气动力、热特性.提出了一种对飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识,进行高超声速复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案,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.对物面网格的标识、分子的运动及与表面碰撞的判断、流场量的采集的实施方法和细节进行了分析和讨论.仿真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、气动力矩和气动热参数,证明了采用的方案和技术的有效性.     

过渡区侧向喷流干扰的并行DSMC数值模拟研究

在高空低密度环境,空间飞行器的控制面效率下降较快,反作用控制系统(RCS)作为改变飞行姿态或轨道的直接力系得到大量应用,为了精确预测高空RCS喷流与稀薄大气的干扰效应,本文建立了直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及网格自适应算法,保证了碰撞分子是在自适应后的亚网格内选取,提高了计算精度.采用静态随机负载平衡技术构建了并行DSMC代码,计算分析了不同压比条件下的三维平板模型侧向喷流与稀薄大气的干扰流场.计算的复杂流场结构和表面流动特征、分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性.在保持来流参数不变的情况下,喷流干扰区的分离长度及喷流透射高度随着喷流压比的增大而增大.随着来流稀薄度的增加,来流对喷流的影响越来越弱,而喷流自身的影响区域却越来越大.     

过渡区DSMC数值模拟的一种自适应当地时间步长新方法

采用优化的DSMC方法,研究了高超声速三维复杂外形飞行器在过渡领域飞行的气动力、热特性。对建立在流场网格和物面网格耦合基础上的三维复杂流场DSMC通用程序进行了变时间步长的优化设计,发展了一种自适应当地时间步长新方法,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。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,证明了自适应当地时间步长新方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。     

高超声速混合流动的粒子模拟耦合算法

通过采用基于三维非结构网格的子网格技术,对适用于高超声速混合流动的自适应时间步长粒子模拟耦合算法(Improved Hybrid Particle Simulation Method,IHPSM)进行了改进,在保证算法计算效率的同时降低数值误差。通过对三维双曲钝锥外形的数值仿真及与DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算结果的对比分析,证明改进的IHPSM算法具有较高的计算精度,且能较大幅度提高计算效率。基于改进的IHPSM算法,文中针对双曲钝锥外形进行了稀薄气体效应和飞行马赫数对高超声速流动影响规律的研究。结果表明,气体稀薄程度的增加会减缓双曲钝锥前端流场宏观物理量的变化梯度,使流场激波结构变厚;来流马赫数的增大会使激波明显增强,但对激波厚度与结构的影响较小。     

采用流固耦合方法数值分析减压器动态响应

采用流固耦合数值模拟技术研究了减压器工作过程的动态特性。流体控制方程为三维基于动态网格描述的Eu ler方程,采用非结构动网格有限体积格式求解;固体结构的运动方程由拉格朗日方程导出,采用纽马克方法求解。提出了可变边条零厚度虚拟挡板技术模拟了活门由闭到开的瞬态过程。计算得到了上游不同开启压力以及不同开启持续时间减压器弹性元件的动态响应特性,结果表明,虚拟挡板技术模拟物体间由零距离开始分离的实际过程是成功的,且对最小网格尺度没有限制;将减压器上游高压的开启持续时间延长能够避免阀芯开度的振动。     

利用并行八叉树划分技术开展复杂构型航天器放气污染分析研究

放气污染对航天器造成的有害影响需要定量评估。放气产物分子的输运过程可以采用Monte-Carlo方法模拟,并用射线表示放气分子输运轨迹。如此一来,即转换为射线追踪问题。由于航天器构型复杂,射线追踪的计算很耗时,所以有必要研究其加速算法。文章将复杂构型航天器表面用三角形非结构网格表示,利用八叉树划分技术开展分子运动轨迹与表面相交的加速模拟计算。同时,在基于共享内存多核计算平台,利用OpenMPAPI软件实现了计算的并行化。该方法在对空间站的实例计算中显著提高了运算速度,并对空间站的污染情况进行了初步评价分析。