基于粒子模拟的舱内布局对霍尔推进器可靠性评估真空羽流的影响

对霍尔推进器地面测试过程中真空环境下的羽流流场进行模拟研究,通过直接蒙特卡洛(DSMC)方法进行多种布局方式下的系列数值模拟,重点研究地面测试设施中舱内的抽氙冷板、束流挡板在不同布局环境下对真空羽流流场的影响。数值模拟结果显示:抽氙冷板的布局位置对羽流流场影响较不明显,但应考虑舱内各处均布以防压力局部集聚过高形成阻力;束流挡板对返流粒子的抑制作用明显,对抽氙冷板等具有较好的防护功能,但也同时改变了羽流流场分布,甚至会影响到推进器的放电特性和性能表现。通过该数值模拟方法可以实现对舱内工艺设备的设计指导,对抽氙冷板、束流挡板等进行布局优化,继而为推进器地面测试提供更为有效的测试环境。     

脉冲等离子体推力器羽流特性数值研究

以脉冲等离子体推力器羽流为研究对象,建立三维物理模型,简化并离散电子动量方程,运用单元粒子-直接模拟蒙特卡罗混合法模拟非稳态羽流流动.假定脉冲周期内推进剂粒子按正弦规律进入流场,分析流场中电势、电子、离子和原子数密度分布随着时间变化情况,并通过与已有实验数据的对比验证仿真模型.研究表明:模型能在垂直和平行于推力器极板的两个平面内预测等离子体羽流流场参数.该研究方法、结果对更深入研究脉冲等离子体推力器(PPT)羽流具有参考价值.      

颗粒两相流自由剪切层大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了可压缩流自由剪切层内颗粒两相流流场结构.气相控制方程采用二维盒式滤波法滤除小于网格尺度的小涡以得到LES控制方程,而流场中小涡对大涡的影响采用K-ωSST湍流模型模拟.在Lagrange坐标系下用颗粒轨道模型仿真颗粒运动,用双线性插值方法实现Euler坐标系到肌Lagrange坐标系的转换,并考虑了颗粒速度和温度的改变对气相流场的反作用.分析了仿真结果中气相自由剪切层的涡结构特性,不同St数颗粒在流场中的运动特性,颗粒对流场的反作用效果,得到了合理的结论.     

大涡模拟超声速两相流混合层的非线性分析

为研究超声速两相流混合机理,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构.用二维盒式滤波法处理可压缩气相N-S方程,得到亚格子形式的LES控制方程;用轨道模型仿真液滴运动,并用单液滴蒸发模型模拟液滴蒸发过程.利用伪邻近法和互信息量法确定了相空间重构的嵌入维数和时间延迟,对混合层压力时间序列进行了相空间重构.分析了仿真结果中混合层的涡结构特性和液滴对流场的反作用效果,并讨论了混合层失稳过程的非线性特征.发现混合层发展的不同阶段与其系统的非线性特征值密切相关.      

稀薄流过渡区气固两相喷流的建模与数值模拟

从描述粒子运动的细观层次出发,运用DSMC方法,构造了稀薄流过渡区气固相互作用模型和颗粒碰撞模型,数值模拟了有气固两相横向喷流干扰的二维有限平板高超声速流场,分析了流场结构和物面气动系数分布等特性.结果表明,对于不同的来流Knudsen数和颗粒质量载荷等参数,喷流干扰流场存在差异,同时反映了基于DSMC方法的气固相互作用模型是研究稀薄及过渡条件下的气固两相流动的有效方法.     

叶片前缘两相流冲击冷却的耦合数值模拟

为了更好地强化叶片前缘的换热,对叶片前缘进行两相流强化冲击冷却的耦合数值模拟研究。利用水滴/蒸汽冲击曲面冷却系统进行数值模拟程序的校核。在此基础上,利用欧拉-拉格朗日颗粒追踪方法对叶片前缘的两相流冲击冷却进行耦合数值研究。研究了水滴加湿量、水滴直径和水滴与壁面的作用边界条件对换热性能的影响。结果表明当加湿量从3%增加到8%时,最大的平均传热增强系数从1.671增加到4.913;水滴直径从5μm增加到20μm时,最大的平均传热增强系数从2.128降低到1.164;反弹和反弹+破碎边界条件预测的传热效果好于粘附和粘附+破碎边界条件。     

基于直接模拟蒙特卡洛方法的真空羽流不确定量化研究

真实流动环境下的真空羽流必然存在着各种不确定性,那么确定性输入条件的数值模拟必然会存在偏差,因此需进一步研究不确定性对羽流流动特征的影响规律。本文采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法,对不确定性输入的羽流流场进行模拟;采用稀疏的概率配置点方法对来流、壁面及模型参数等输入不确定量进行描述,对不确定性的传播和输出目标的平均值、方差及不确定度进行计算。研究表明,流场不确定性沿流线传播至流速最大处之后迅速增强,并在声速线前出现骤减的现象;传播至声速线之后,挡板壁面输入不确定性的影响凸显。其中最为显著的是,压力不确定度在挡板驻点位置达到全场最大值,约为输入不确定量(3.54%)的2.1倍。此外,温度跳跃不确定度受到壁面温度不确定性输入的限制而近似保持为一个恒定值,约为输入不确定度的0.8倍。进而,壁面热流不确定度(5.54%)比壁面正应力不确定度(6.25%)略小,切应力不确定度最小(5.07%)。Sobol’全局敏度分析表明,喉道速度和喉道压力的输入不确定性对气动力/热不确定度的贡献是最大的,且远远超过了壁面温度和模拟分子直径不确定性输入的贡献。     

风沙两相流数值模拟研究进展

大气表面层中的风沙运动是典型的高雷诺数湍流气固两相流动,同时具有可蚀地表上的冲击溅起过程、风-沙-电多场耦合、多尺度与跨尺度等复杂特性,使其定量预测极具挑战性。回顾了近30年风沙运动数值模拟的研究进展以及取得的成果,主要包括基于湍流雷诺平均Navier-Stokes （RANS）方法的风沙运动多场耦合模拟与风成地貌耦合尺度模型建立,基于湍流大涡模拟（LES）与高雷诺数湍流理论的风沙运动模拟方法。最后明确了风沙运动现有数值模拟方法的不足和值得进一步研究的方向。     

叶片扩压器内两相流场的数值模拟

湍流模型采用 kk-εk-θp 模型 ,为改善计算的稳定性和收敛性 ,根据 Rhie,Chow提出的动量插值概念 ,以协变物理速度分量作为求解变量 ,在压力修正方程中考虑了密度及浓度修正的影响 ,完成了叶片扩压器内部的两相流场的数值计算 ,计算结果与实际情况较为吻合 ,表明了所建立的计算方法的可行性。结果表明 :叶片扩压器吸力面上的颗粒拟温度高于压力面上的颗拟温度 ,而且靠近壁面处的大于叶道中的 ,可采用颗粒拟温度来标志磨损部分。这为改进扩压器的设计和性能提供了依据     

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

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。     

姿控发动机内流场及高空羽流流场的DSMC一体化数值模拟

通过引入“平衡抽样方法”有效解决了DSMC求解近连续流区所遇到的碰撞顶计算效率问题;对于过渡流及自由分子流区,构造了适合于DSM仿真的分子碰撞传能模型并配置了一种光滑过渡以减少误差的权函数。在此基础上首次实现了对姿控发动机喷管内流场及包括倒流区在内的高空弱流流场的DSMC方法一体化数值模拟。     

再入飞行中DSMC与Navier-Stokes两种模型的计算与分析

首次提出了再入飞行过程中"小Knudsen数特征区(即[Kn1,Kn2]域)"的概念,并用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)算法与求解Navier-Stokes方程两种模型详细研究了在这个区域中的流动.数值计算表明:采用王保国教授课题组自己编制的DSMC源程序和求解多组分、考虑热力学非平衡以及化学反应非平衡、弱守恒型Navi...     

Investigation on plume interference effect of solid propellant micro-thruster

The three-dimensional numerical simulation of two-phase plume flow of solid propellant micro-thrusters was developed. Then it was used to investigate the plume interference effect by combining the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method for multi-component gas flow with the two-way coupling model for two-phase rarefied flow. At different space between the two micro-thrusters and different wall temperature,the plume interference effect was analyzed specifically. The results show that under the plume interference effect the gas is compressed and the flow direction is changed,which resulted in the increasing of gas pressure and temperature; solid phase made no significant effect on the flow parameters of gas phase; with the rising of the space between the two micro-thrusters,the maximum pressure decreased and the maximum temperature increased in the domain under the plume interference effect; the wall temperature could influence the temperature of the gas which is extremely close to the wall,but not the gas pressure.      

Slip boundary conditions for rough surfaces

The velocity slip and temperature jump for a two-dimensional rough plate under hypersonic conditions were analyzed using the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method. Surface roughness was explicitly modeled by introducing various structures on the flat plate. The influences of relative roughness height, which involves the roughness height, roughness spacing, incoming velocity, and the degree of rarefaction, were analyzed and discussed. It is found that with the increase of the relative roughness height, the jump temperature increases, while the slip velocity decreases gradually. The effects of surface roughness on the slip coefficients can be attributed to the change of accommodation coefficients. A new slip model for rough surfaces was established in this paper, which accounts for the coupling effects of gas rarefaction and surface roughness, without the effort to model the surface roughness explicitly. The nitrogen flows in the microchannel, and flows over a blunt cone and an axisymmetric bi-conic body, were simulated under the modified and conventional slip boundary conditions, respectively. The numerical solutions were validated with experimental data. It can be safely concluded that compared with the traditional first-order slip boundary conditions, the modified slip model improves the accuracy of macroscopic properties, especially the heat transfer coefficient.     

卫星姿控发动机混合物羽流场分区耦合计算研究

研究求解喷管内流场N-S方程数值计算方法,发展基于N-S方程物面边界滑移流理论计算技术。提出求解羽流核心区轴对称DSMC模拟方法与远场三维DSMC仿真方案,发展多组元混合物羽流DSMC仿真方法。研究求解卫星姿控发动机内外近场、远场、倒流区和物面相互作用影响区多流域流场分区耦合计算技术,建立了一套用于求解混合物燃气羽流及对太阳电池帆板与卫星体表面撞击污染影响数值模拟方法。通过对分别安装于某在轨卫星不同位置两个典型姿控发动机燃气五组元混合物羽流计算研究及相关结果对比分析,证实本文数值方法可靠性。     

Maxwell气固相互作用模型对稀薄高超声速凹腔绕流流动特征和热环境的影响

针对高空航天飞机等再入飞行器表面缺陷或防热瓦缝隙导致的局部压力过高和气动加热问题,采用直接模拟Monte Carlo （DSMC）方法研究了飞行高度为80 km的稀薄流区高超声速凹腔绕流问题,考虑气固相互作用（GSI）模型对凹腔流场特征和表面压力、热流的影响。结果表明：稀薄流条件（80 km）下,GSI为完全漫反射时,在凹腔前缘分离的剪切层再次附着在后缘,在凹腔内部形成一个充满腔体的单涡结构;随着GSI从完全漫反射向镜面反射变化,气体与凹腔表面之间的切向动量交换减弱,即黏性剪切作用减弱,外部气流被卷入凹腔的程度减弱,导致涡结构不断减小直至消失,凹腔底部逐渐出现所谓的"死水区"。与完全漫反射相比,镜面反射或近镜面反射会导致凹腔上游侧面的峰值压力和峰值热流以及下游侧面的峰值压力剧烈增大,在飞行器设计中,应特别留意上述表面的压力载荷和热载荷。     

Hall推力器羽流数值模拟

以稳态等离子体推力器(SPT)羽流流场为研究对象,基于直接蒙特卡罗模拟与粒子单元混合方法建立数值模型,模拟等离子体稳态流动,研究流场特性。将计算结果与实验数据相比较,并与同类推力器羽流参数进行比较,以保证仿真可靠性。研究表明,所建立的仿真模型能够较好地预测SPT羽流电子数密度和离子电流密度等参数。