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。     

DSMC计算中碰撞对取样和时间推进环节的高效处理方法

针对DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算中的碰撞对取样和时间推进环节,发展了一类高效处理方法。首先引入碰撞距离的思想,发展了一种自适应碰撞距离的分子碰撞对选取方法;随后在自适应当地时间步长方法和DSMC方法数据结构特点的启发下,以模拟分子为最小时间步长调整单位,发展了一种自适应分子时间步长方法;最后以圆柱外形为例,验证了本文高效处理方法的可行性与正确性。结果表明:发展的高效处理方法能够有效放宽DSMC方法对网格尺寸的限制,显著缩短流场达到稳定所需的计算时间,并且得到满足计算精度要求的结果。     

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.     

一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法

基于双重空间网格结合策略，发展了一种高效率的贴体DSMC（direct simulation Monte Carlo）方法。通过将仿真分子在物理空间结构网格的位置坐标映射于计算空间的直角网格中，并在计算空间中完成分子所属网格单元的定位以及分子与边界是否发生作用的判断，从而结合结构网格的贴体性和直角网格的高效率计算的优点，提高DSMC方法的贴体性和计算效率。基于双重空间网格结合策略，通过直接映射和间接映射法分别建立DSMC程序，对微尺度收缩扩张喷管气体流动和超声速圆柱绕流进行模拟。数值结果表明：两种方法均很好地模拟出微喷管因尺度缩小导致的黏性效应和速度滑移现象以及超声速圆柱绕流发生的激波现象，具备有效性。与传统结构网格方法对比，两种方法的计算效率平均分别提高了3.85倍和2.85倍，具备高效性。     

基于两级直角网格结构的三维DSMC算法研究

结合直角网格计算的高效率以及表面非结构网格对飞行器几何外形的精细描述,本文建立了基于两级直角坐标网格结构的DSMC数值模拟算法。一级网格为计算区域离散后的背景网格,二级网格为独立的碰撞网格和取样网格,是在背景网格的基础上根据流场性质的变化经过自适应后获得的亚网格,碰撞分子对在亚网格内选取,以保证选取的分子是"最相邻的"。计算的Orion飞船外形从自由分子流到稀薄过渡流的气动力系数,与DS3V和DAC软件计算结果的一致性非常好,验证了本文算法的可靠性和有效性。同时对过渡区的流动特征和表面气动参数的分布规律进行了分析。     

基于动理学模型的多尺度随机粒子方法

传统随机粒子方法的时空离散步长受分子碰撞尺度(分子平均自由程和平均碰撞时间)的限制,当空间和时间离散尺度远大于碰撞特征尺度时,其输运系数的数值误差显著增加,因此如直接利用这类方法对跨流域流动精确求解,其计算效率往往是极低的(如DSMC方法,Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法)。通过对随机粒子方法输运系数离散误差的分析可知,这主要是因为传统算法将模拟分子的运动和碰撞解耦计算引起的。针对这一问题,本文介绍了适合于跨流域流动模拟的多尺度Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法。通过分子运动求解中耦合碰撞作用,在连续流区域,改进的随机粒子方法在较大的时间步长下仍能够满足宏观流体力学方程的输运性质。理论和计算结果显示,多尺度Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法可以高效准确地模拟从稀薄流到连续流的跨流域气体流动。     

动态负载平衡的二维非结构网格DSMC并行算法研究

基于PC-CLUSTER群机并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,研究了二维非结构网格DSMC并行算法。提出一类非结构网格动态分区策略,保证各子区域的分子数量大致相等,实现计算进程间的动态负载平衡。利用MPI库函数构造了符合DSMC并行原理的单步通讯法。采用单控制多数据流(SPMD)以及Master/Slave并行模式,设计了二维非结构网格DSMC整体并行算法。在程序的编制过程中,充分展现了Fortran90高级语言的主要特性,引人动态数组、指针、链表及派生类型数据。最后对过渡流域高超声速绕流进行了并行计算,数值试验的结果表明本文设计的并行算法可以取得较为理想的加速比。     

高超声速连续/稀薄流自适应界面推进重叠网格方法及应用研究

根据高超声速飞行器在过渡流域飞行时绕流流场具有连续流与稀薄流并存的特点,提出了一种适用于混合流场自适应界面推进的多尺度重叠网格方法。用两套独立生成不同尺度的结构网格和非结构网格覆盖整个流场。根据连续/稀薄流界面失效函数的截止值在结构网格内进行自适应"挖洞"。在挖洞后的稀薄流区利用非结构网格DSMC方法进行计算;在连续流区的结构网格内采用基于N-S方程的CFD算法。两种算法进行耦合计算和求解,在连续/稀薄流分界面进行流场信息的插值、交换和处理。根据流场实时耦合计算结果,利用界面失效函数自适应改变两套网格的重叠部分。最后,通过对超声速圆柱和高超声速带扩张角圆管绕流的数值模拟,验证了方法的可行性和有效性。     

一种基于结构化贴体网格的DSMC方法研究

基于DSMC方法,发展了一种结构化的贴体网格的分子运动轨迹跟踪和定位的方法———网格面法向量判断法。在此基础上建立了一套DSMC数值模拟程序,对球双锥和Apollo飞船在过渡区域流动进行了数值模拟,并分析了其过渡区域超音速、高超音速的气动力、气动热等问题。通过将本文的计算结果与参考文献的计算结果和实验结果进行了比较,验证了所发展的方法的可靠性。     

球锥钝头体再入稀薄气体电离过程三维DSMC模拟与验证

采用增大电子质量三个数量级并相应调整离子质量的方法,拓展化学反应的DSMC仿真方法处理稀薄气体电离过程;采用单温度模型处理全部化学反应,修正涉及电子的反应速率常数以保证真实化学反应速率;以直角/非结构网格相结合,运用碰撞网格自适应技术,基于MPI并行环境,开发适用于真实复杂外形的三维稀薄气体电离DSMC计算程序。对RAM-C II外形的再入绕流稀薄气体电子密度进行模拟验证,所得结果与飞行试验测量值吻合较好;对Stardust外形的再入稀薄段电离特性数值仿真分析,电子密度等值线云图与参考文献结果一致。相较于稀薄气体不含电离反应的DSMC方法,本文发展的模型和程序不会导致计算量的显著增大,可直接应用于三维复杂外形体极高速再入条件下的稀薄气体电离计算,为工程设计提供技术支持和指导作用。计算结果表明,极高速再入条件下传统稀薄流区的电子数密度足以引起通信黑障,需在通信设计上给予高度关注。     

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。     

一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略及其应用

研究了一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略。在数据结构方面,设计了局部化的数据组织方式,节约了内存与计算时间。发展了一种跟踪模拟分子迁移的算法,该算法仅需少量的逻辑运算与代数运算,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,搜索过程中的附带信息给出了分子与物面碰撞的精确时间与位置,避免了重新计算。引入碰撞距离的思想,既减少存储又保证正确的模拟结果。在程序编制过程中,我们充分展现了Fortran90高级语言的主要特性,引入动态数组、指针、链表以及派生类型数据,编制了计算程序。最后对过渡流域高超声绕流进行了数值试验。     

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。     

二维热化学非平衡流动的非结构网格DSMC方法及其应用

研究了二维热化学非平衡流动非结构网格DSMC方法实现的过程。提出了一种新型的高效搜索算法,该算法不仅可以跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且在搜索过程中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非确定论判据。为加快流场的时间发展历程,设计了适合DSMC方法的动态局部时间步长技术,使其可以应用到定常和非定常流场的计算。利用Fortran90的动态分配内存技术编制了计算程序。最后对过渡流域高超声速圆柱绕流进行了数值试验,计算结果初步验证了该算法的可行性。     

返回舱再入跨流域气动及配平特性数值研究

基于直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,发展流场直角与表面三角形非结构混合网格生成方法和网格自适应技术,构造适于高稀薄流到近连续滑移流多流区共存的变时间步长模拟策略及DSMC区域分解并行计算方案。采用经改进的DSMC方法模拟飞船返回舱再入过程130～70km跨越外层空间自由分子流到稀薄过渡近连续流区热化学非平衡流动,研究分析了跨流域激波过渡带和边界层的强扰动演变规律以及稀薄气体效应、高温真实气体效应对返回舱气动特性和配平特性的影响规律。对比分析了不同壁面反射模型对返回舱配平特性的影响特点,计算的探月试验返回器配平迎角与飞行试验数据一致。计算分析了质心位置偏移对配平迎角的影响机制。计算结果表明:稀薄气体效应和壁面反射模型对90km以上高度的气动力和配平特性影响显著,真实气体效应则对90km以下高度的气动特性影响较大,质心横向偏移对配平迎角影响较大。     

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。     

一种DSMC方法的并行策略

为提高直接模拟蒙特卡罗（DSMC）仿真模拟的并行计算效率,基于消息传递接口（MPI）的并行环境,通过对比分析主从模式及对等模式两种程序设计模式下的并行效率,探讨了对等模式下非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡DSMC仿真模拟的并行策略,设计了基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟,验证本文并行算法的有效性,结果表明,本文设计的基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。     

大型航天器再入解体气动力热特性模拟的直接模拟蒙特卡洛方法研究

为模拟大型航天器离轨再入近连续过渡流区高超声速气动力/热绕流特征,构建了基于直接模拟蒙特卡洛法碰撞限制器技术的混合方法,发展了基于密度梯度的动态自适应混合网格处理技术与变时间步长计算方案。利用当地流动梯度的克努森数作为判断连续流失效的参数,将流场划分为不同区域,在连续流区采用碰撞限制器以及大网格尺度和大时间步长,在流场的大梯度区域——包括激波和壁面边界层区域——采用基于当地密度梯度的动态自适应碰撞网格和取样网格处理技术。为保证整个流场范围每个碰撞网格内的模拟粒子数分布更加均匀,采用变时间步长计算方案,并固定当地时间步长与粒子权重的比值,避免了因分子穿越网格界面产生的复制或消失。通过计算类天宫飞行器低密度风洞试验状态的气动力系数,并与试验数据对比,验证了上述算法的高精度模拟能力与可靠性。同时模拟分析了带太阳电池帆板的类天宫飞行器再入85 km高超声速复杂气动力热,及头部对接台与板舱非规则物形绕流所致激波/边界层干扰、流动分离与强气动力热致太阳电池帆板毁坏发生首次解体机制。     

一种DSMC分子仿真下的权因子预定义方法

为提高直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法的计算效率,针对模拟初始DSMC方法中权因子难以确定的问题,通过分析权因子在DSMC方法模拟中的定义及求解方法,提出了一种DSMC分子仿真下权因子的预定义求解方法,采用平板、钝锥等典型算例验证了该方法的正确性。结果表明:权因子预定义方法能够在模拟初始提前对权因子的分布特征进行预定义求解;该方法能够使得DSMC仿真时全场的仿真分子数分布更为合理,在保证计算精度的前提下减少全场的仿真分子数,节省内存,提高计算效率。     

高超声速化学非平衡流动Navier-Stokes/DSMC耦合算法

基于相同的化学反应模型,在已有计算流体力学（CFD）和直接仿真蒙特卡罗（DSMC）方法及程序的基础上,采用Modular Particle-Continuum（MPC）耦合技术,建立了包含化学非平衡Navier-Stokes/DSMC耦合算法。算法结构中DSMC计算区域在CFD计算结果上根据当地克努森数自动选取。发展了适用于流场分区信息交换的亚松弛技术,抑制DSMC方法对CFD计算的影响。把DSMC方法和CFD的应用范围拓展到过渡流区,为复杂飞行器近连续过渡流区高超声速化学非平衡流动数值模拟研究提供了一种工程适用的预测分析手段。通过对二维圆柱高超声速化学非平衡绕流的算例与其他结果的比较研究,表明耦合算法不论在流场结构、流场非平衡现象,还是飞行器表面参数、整体气动力/热特性方面,都能够得到与全DSMC计算吻合的结果,证实了所建立的Navier-Stokes/DSMC耦合计算模型与方法的有效性和可靠性。仿真了某航天器解体碎片在过渡区的化学非平衡流动,得到碎片在过渡区的气动力/热特性,为碎片的陨落计算提供依据。