进入火星大气的高温真实气体效应与气动加热研究

针对火星和地球大气分子热力学和化学行为的差异性，采用理论分析和数值模拟两种手段，研究探测器进入过程高超声速流动的分子振动激发、离解反应及热力学和化学非平衡等真实气体效应，获得不同气体模型条件下的高超声速气动加热规律，探究引起地火差异的根本原因。分析认为，探测器进入火星大气层的稀薄气体效应明显；激波层内发生CO 2气体为主的大规模离解，在极高温环境下O 2和CO也将离解；沿进入轨道的高超声速流动基本处于化学非平衡但热力学平衡状态；激波层内能量储存和分配模式因分子振动激发和化学反应而改变，分子振动激发会增强气动加热量，但均介于化学反应模型的完全非催化和完全催化壁结果之间；相同来流条件下CO 2介质高超声速气动加热强于空气介质，但真实的火星进入热载荷因大气稀薄而弱于地球再入环境。相关研究为我国未来火星探测器热防护系统设计提供技术支持。     

垂直于物面的横截面上流态的拓扑

对于旋成体有迎角绕流，本文研究了垂直于物面的横截面上的流态结果。利用解析方法，给出了物面轮廓线上、迎风和背风对称线上以及全横截面上截面流线方程奇点的分布规律以及奇点沿流动方向的演变规律，从而可定性地确定截面流态的结构。通过求解ＮＳ方程数值模拟了钝锥有迎角高超声速绕流流场，计算获得的垂直于物面的横截面流线的拓扑结果和理论分析完全一致。     

含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法与跨流域绕流问题模拟研究

通过对转动自由度松弛变化特性的研究,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,确立含转动非平衡效应各流域统一的Boltzmann模型方程。基于转动能量空间对分布函数进行守恒积分,得到计及转动非平衡效应的分子速度分布函数控制方程组,应用气体分子运动论离散速度坐标法对速度分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论统一格式。基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡影响的气体分子运动论边界条件数学模型及数值处理方法。由此提出模拟高稀薄自由分子流到连续流各流域转动非平衡效应的Boltzmann模型方程统一算法。通过对高、低不同马赫数1.5≤Ms≤25考虑转动非平衡效应的氮气激波结构与不同Knudsen数9×10-4≤Kn!≤10再入竖直平板、Ramp制动器、尖双锥外形跨流域高超声速绕流问题模拟研究,将计算结果与有关实验数据、广义退化Boltzmann与ES椭球统计模型等研究结果对比分析,验证含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法求解自由分子流到连续流跨流域绕流问题可靠性。     

分离线上的奇点以及分离线的形态

本文研究了分离线上的奇点,指出分离线有四种基元形态,复杂流动的分离线,可通过这四种基元形态组合而成。文中证明,同存在由鞍点始到结点终的分离线一样,其上无奇点的开式分离线是存在的。另外还存在具有螺结点类型的分离线。文中研究了分离线上奇点的分布规律,指出分离线上鞍点的总数或与结点的总数相等,或者差一个,且鞍点和结点是交替相间分布的。     

基于Delaunay背景网格插值和局部网格重构的变形体动态混合网格生成技术

建立了一种基于Delaunay背景网格插值方法和局部网格重构方法相结合的变形体动态混合网格生成方法.首先利用作者发展的定态混合网格生成技术生成变形体初始网格,即变形体附近利用结构化的四边形网格,外场采用自适应Cartesian网格,中间由三角形网格过渡.当物体运动或变形时, 首先利用Liu和Qin提出的基于Delaunay背景网格的插值方法对变形体附近的网格进行变形;当物体运动或变形位移很大导致局部网格质量急剧下降、甚至网格相交时,则在局部重新生成网格.利用该方法生成了多种变形体外形的动态混合网格,如单个鱼体、双鱼串列巡游,昆虫单翼、双翼扑动,多段翼型变形等,并在鱼体巡游的非定常数值模拟中得到了应用.     

鱼类“钻石”状群游流动干扰及其减阻机理的数值研究

观察研究发现,在鱼类的群游中,鱼体可以有效利用相互之间有益的干扰,减少游动阻力,增强自己的推力和游动效率.本文基于作者以往建立的动态混合网格生成方法以及不可压缩流非定常计算方法,对四鱼呈"钻石"阵型排列的群游进行了数值模拟,通过不同横向间距、不同流向间距、不同相位差等游动状态下流场结构、力学特性的比较,分析了鱼体之间的横向干扰和流向干扰,对其降低阻力、减少功耗的流动机理进行了探讨.     

再入飞行器目标特性建模研究

再入目标的光辐射和电磁散射特性有重要应用,例如目标的探测、识别和指示技术.飞行器高超声速再入过程中,由于与周围大气强烈相互作用,不仅形成复杂结构再入流场,飞行器表面和流场中还伴随发生复杂化学物理过程,对目标特性产生严重影响.在对再入流场及伴随发生的化学物理过程研究分析的基础上, 建立再入目标特性理论模型框架,建立再入飞行器目标特性的基本计算方法,编制了相应计算程序,对典型再入飞行器的红外辐射和电磁散射特性进行了数值模拟.与相应实验结果的比较表明,流场电子数密度、高温气体辐射、等离子体尾迹的RCS等与实验结果一致.     

关于飞船的动态稳定问题

本文研究了以平衡攻角为中心作俯仰振荡的飞船,其动态稳定形态随来流马赫数Ｍ∞Ｒ ＹＯ ＷＸ 。     

烧蚀热响应计算中的不确定性传播分析方法研究

发展了基于代理模型的不确定度量化方法，以少量确定性模拟结果为样本，通过代理模型来构建目标变量和不确定性输入参数的响应关系，以此来分析目标变量的不确定性信息，包括均值、标准差、概率密度分布等统计信息以及各个输入参数对目标变量的敏感性大小。本文以烧蚀热响应计算为例，通过分析材料物性参数的不确定性对烧蚀热响应预测的影响，表明该方法具有准确度高、效率高的特点，为工程中的高维不确定度量化问题提供了很好的解决思路。