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。     

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。     

尺度自适应的离散统一气体动理学格式及在可压缩流动中的应用

基于Boltzmann-Shakhov模型方程,建立其沿特征线离散的一般形式,离散过程中对于碰撞项的处理采用显式和隐式加权平均的方法,其中权系数依赖于当地努森数,可根据当地流动尺度不同进行自适应调节。通过权系数的引入,对文献现有离散统一气体动理学格式进行改进,发展出具有尺度自适应特性的离散统一气体动理学格式(Scale Adaptive Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,SADUGKS)。将SADUGKS格式应用于若干典型可压缩流动,对格式的有效性和尺度自适应特性进行了检验,所得数值结果与文献已有结果吻合较好,表明SADUGKS格式是一种求解宽范围努森数变化、跨流域多尺度流动问题的有效算法。     

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...     

基于DSMC方法的真空羽流不确定量化研究-空间推进专刊*

真实流动环境下的真空羽流必然存在着多种不确定性,那么确定条件输入的数值模拟会存在偏差,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。最突出的是,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。     

高阶气体动理学格式在湍流数值模拟中的应用

本文回顾了高阶气体动理学格式在湍流数值模拟中的应用.与传统的Riemann求解器相比,气体动理学格式可以提供时空耦合的演化过程,这对发展高精度格式十分重要.因此,基于两步四阶时间离散和高精度WE-NO重构,发展了具有四阶时间精度的气体动理学格式.该格式有更高的数值精度和稳定性,并且具有更好的处理复杂流动问题的能力.目前...     

壁面辐射平衡DSMC方法及其在双锥构型中应用

临近空间高超声速飞行器在高空长时间飞行,受气流加热影响,飞行器表面温度显著升高,依赖地面试验和传统DSMC仿真预测的热流值明显高于飞行观测值,导致飞行器防热系统的保守设计.本文发展了一种基于壁面辐射平衡的DSMC边界模型,通过热流值反算辐射平衡壁面温度,并以此温度作为下一个时间步DSMC计算的边界条件,迭代更新至给出壁面温度的收敛值.基于该温度边界条件,开发了适用于轴对称构型的DSMC求解器,并以钝锥构型对计算模型和求解器进行了验证.重点针对激波风洞试验条件下的双锥构型,开展数值模拟研究,结果表明:该构型恒温冷壁条件得到的壁面压力分布和热流与风洞试验结果吻合,两种温度条件下的压力峰值差异约为15.4％,但是整体气动力特性差异仅约为0.33％;相对于冷壁,辐射平衡计算得到的前缘处热流峰值降低约50％,再附点处的热流峰值降低约三分之二;两种条件相结合,可以给出壁面热流的预测范围.     

BGK-NS格式在复杂流动中的应用研究

作为构造能够同时模拟稀薄和连续流动的混合算法的第一步,本文在前期工作的基础上,考察了气体动理学BGK-NS格式在复杂流动数值模拟中的能力,选取了高超声速再入飞行器大迎角侧向喷流及带栅格翼导弹超声速绕流两个算例.数值模拟结果与实验,以及文献中的计算结果都吻合很好.这充分说明了BGK-NS格式对复杂流动具有良好的模拟能力,也为下一步混合算法的建立打下了良好的基础.     

超/跨音风扇气动设计体系有关流动模型改进探讨

当前超/跨音风扇准三维气动设计体系中,二维气动设计与三维流场分析在模型上不匹配。为加强二者之间的关联,提出了气动设计体系三角形概念。作为其实现方法的一部分,提出了内部气流脱轨角及其偏差作为定量指标,以对设计流场进行评价,并对下一轮设计进行指导。根据有限算例,探讨了内部以气流脱轨角及其偏差作为定量准则的可能性。      

量子计算及其在空气动力学中的应用前景

量子计算是最重要的后摩尔计算技术之一,拥有经典计算机无可比拟的超强计算能力,未来能够对各行业应用产生颠覆性的影响.针对量子计算给空气动力学带来的机遇和挑战,详细综述了量子计算机、量子算法、量子底层软件栈等方面的研究进展.结合空气动力学领域常用的基础方法,在综述量子计算线性方程组求解、插值操作、数值积分、优化搜索等最新进...     

电离对高超声速稀薄流飞行器气动热影响

将电离反应模型扩展到（direct simulation Monte Carlo,DSMC）方法中,研究了电离反应效应对高超声速稀薄流飞行器气动热的影响特性.针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入“捆绑法”思想处理电子在流场中的运动,并给出了电离反应模型及电离反应处理方法.在以RAM-C Ⅱ飞行器外形为例对增加了电离反应的DSMC代码进行验证的基础上,以“星尘号”探测器外形为研究对象,针对不同飞行高度下5组元混合气体模型（无电离）和11组元混合气体模型（含电离）的化学非平衡流动开展了数值模拟,细致分析和对比了电离反应效应对探测器气动热的影响规律.研究结果表明:采用的电离反应处理方案能够模拟带电离反应的高超声速化学非平衡稀薄流动.在飞行高度为60km时电离反应对探测器气动热的影响最为强烈,使探测器的驻点热流密度降低了5.12%,电离反应对探测器气动热的影响随气体稀薄程度增加而减弱.      

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究简

 针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究

针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

美国火星表面探测使命评述(上)

针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析。研究结果表明：1）对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2）热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3）气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小。     

过渡领域高超声速圆柱绕流的直接模拟

基于人为增大电子质量的基本假设,在前期工作的基础上,提出了一种用于DSMC模拟中处理含电离化学反应的稀有组分权重因子方法。在粒子间碰撞分子对数目的确定上,考虑了权重因子引入的修正。不同权重粒子碰撞之后的状态,以权重因子之比为概率进行确定。对于空气11组元的含电离化学反应,归类为四种情况分别处理,基本思想是根据权重因子对生成的稀有组分粒子进行复制、对反应物中的常规组分按概率保留或删除。比较分析了RAM-C Ⅱ和Stardust等典型再入速度下,在含电离化学反应使用稀有组分权重因子方法后,对飞行器绕流流场结构电子数密度分布造成的影响。计算结果表明：权重因子方法的使用不会给宏观流场参数计算带来影响,它能显著改善弱电离情况下电子等稀有组分数密度等值线的光滑性;对于较强电离的情况,亦能有效抑制稀有组分低密度区的统计涨落。     

伸缩翼气动特性估算方法研究

针对传统方法不能够估算沿展长方向翼型弦长不断连续变化的伸缩翼气动特性的问题,提出了一种基于升力面理论和改进涡格法的气动估算方法。首先给出了该气动估算方法的原理,在此基础上推算出了气动估算方法的步骤和计算公式,最后进行数据处理,给出了伸缩翼展开过程中升力系数的变化曲线,并与AN-SYS CFD的计算结果进行了对比。结果表明,该气动估算方法能够很好地估算伸缩翼展开过程中的升力系数变化特性,对伸缩翼机翼外形设计能够提供有效的依据。     

高速稀薄流域防热减阻概念构型气动性能

为探究高速稀薄流流域凹腔槽道的气动特性,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,建立了凹腔深宽比为1,槽道高度分别为0、10、20、30、40 mm以及基准高度为20 mm的唇口钝化半径为2～20 mm的凹腔槽道构型,获得了不同算例的气动热系数和气动力系数的变化情况,分析了不同槽道高度以及不同唇口钝化半径的凹腔槽道构型对...     

过渡领域高超声速圆柱绕流的直接模拟

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。     

升力体机动飞行器气动布局概念设计

开展高超声速机动飞行器的气动布局概念设计研究,提出一种新的升力体机动飞行器气动布局方案,进行了机体的优化设计,并进行了控制舵的匹配设计,研究了飞行器的气动特性和操纵效率问题。研究表明,该方案可以获得较高的配平升阻比及配平攻角,有较高的机动控制效率,是高超声速飞行器实现高机动的潜在可行方案。     

超声速平板绕流DSMC/EPSM混合算法研究

本文将平衡粒子模拟方法(EPSM)与蒙特卡罗直接模拟方法(DSMC)结合,构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC/EPSM混合算法.运用混合算法模拟马赫数等于4时超声速平板绕流,并与DSMC结果进行比较,证明了DSMC/EPSM混合算法的有效性.将DSMC方法与混合算法的计算效率进行了比较.