火星进入器高超声速化学非平衡特性数值计算研究

火星探测活动是当前国际深空探测领域的热点,而探测器的进入、下降和着陆阶段的气动特性预测是关系其布局和热防护系统设计的关键问题之一。针对火星进入器高超声速进入过程,发展了火星环境的高超声速化学非平衡流动数值模拟方法,建立了进入段气动特性的有效预测技术。以探路者号火星进入器防热大底为研究对象,采用5组分6化学反应模型开展典型弹道点上的化学反应流动数值模拟。结果表明:CO_2在激波层内发生较大程度的离解反应,火星进入器高超声速化学非平衡特性显著。因化学反应作用强烈,激波层内热传导所致热流量相对较低,而组分扩散造成的热流量占一定比重,计算所得的驻点总加热量与经验公式吻合良好。火星环境的化学非平衡特性的有效预测可为我国未来火星探测任务提供技术支持。     

非结构网格高超声速化学非平衡MHD流场数值模拟

 在非结构网格上对考虑化学非平衡效应的二维高超声速磁流体绕钝头体流动进行了数值模拟。控制方程由二维理想磁流体动力学（MHD）方程和组元连续方程两部分组成,化学动力学模型为5组元17反应模型。MHD方程空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步龙格-库塔格式,并通过弱耦合的方式与化学反应控制方程结合在一起。计算模型为二维钝头体,外加磁场为偶极子场,磁场源位于钝头体内部。在高超声速来流条件下,对有、无磁场干扰,是否考虑化学反应下的4种工况进行了数值计算,得到了满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法能准确地模拟考虑化学非平衡效应的高超声速MHD流场。     

电导率模拟对高超声速MHD控制影响

高温气体电导率是高超声速电磁流动控制数值模拟最重要的参数之一。针对电导率模拟准确性及其对高超声速磁流体控制影响的问题,考虑高超声速飞行器流场中高温气体热化学非平衡效应,采用三维低磁雷诺数磁流体动力学（MHD）数值模拟方法及程序,结合国内外常见电导率处理方法开展典型状态高超声速MHD控制数值模拟,分析电导率模拟对高超声速磁流体流场分布、气动力/热特性的影响。研究表明：磁控热流减缓效果与电导率呈非线性关系,电导率较大时将出现电导率的磁控热饱和现象,其产生的原因可能与化学反应趋向于平衡态存在一定关系;采用定电导率方法,会人为放大磁场洛仑兹力的磁阻力效果,使阻力系数的预测值偏大;不同电导率模型计算得到的电导率分布差异很大,甚至存在数量级的差别,显著影响了磁流体的控制效果,这与电导率模型的适用范围、参数选取原则存在很大关联;对于含多种离解、电离组分的高温气体流动来说,采用基于多电离组分迁移碰撞的电导率模型（本文模型M8）,计算与试验一致性最好。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

甲烷/空气超声速燃烧流动数值模拟

用流动项与化学反应生成源项解耦处理的化学非平衡流动计算方法，从薄层近似三维N-S方程出发，采用ENO差分格式数值模拟了超声速冲压加速器简化模型中，高速甲烷气流从后体多个喷口射入高超声速空气流形成流场，研究了高温异质气体效应和19组分65反应模型的非平衡效应对冲压加速器表面压力分布的影响。计算表明新型解耦方法适合反应机理复杂的碳氢燃料超燃冲压发动机内部流动模拟，为开发应用软件系统打下基础。     

LENS风洞试验返回器模型气动热特性模拟

国家数值风洞高超声速流动模拟软件HyFLOW的研制对打破国外同类软件的技术壁垒具有重要意义。与国外DPLR软件进行了对比研究，同时系统介绍了HyFLOW软件求解器的数值方法、物理化学模型以及壁面催化特性计算模型等主要方法，采用典型算例对有限催化模型进行了数值验证，最后基于LENS风洞试验146 mm返回器标模外形开展了高超声速气动热特性数值模拟。研究结果表明，HyFLOW软件在高超声速热化学非平衡流动模拟与评估方面的气动力计算精度高，与国外同类软件DPLR相当，同时其壁面催化条件下的气动热计算精度可靠，可信度高。     

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。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟

高超声速飞行器在特定工况下飞行时，其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用，但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模拟(DNS)研究，对比分析了化学非平衡效应对湍流统计量、湍流脉动量的影响趋势，并研究了高温湍流边界层标度律。计算结果表明，以吸热离解反应为主的化学非平衡效应会使边界层平均温度和脉动温度显著降低，但对平均速度剖面、速度脉动、雷诺应力的影响较小；在高温化学非平衡湍流边界层的对数区，各流动参数的拓展自相似理论的相对标度指数基本符合标度律。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

高超声速平头圆柱绕流化学反应流场的DSMC/EPSM混合算法研究

本文发展了平衡粒子模拟方法(EPSM)，建立了与高温气体化学反应动力学理论相匹配的EPSM耦合模型，并通过混合参数进行流区的自动识别，将EPSM方法与蒙特卡罗直接模拟方法(DSMC)结合，构造了可模拟化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法。应用该算法对汲及化学反应的轴对称情况下高超声速平头圆柱绕流流场进行模拟，将结果与DSMC方法的结果进行比较，验证了新算法对求解化学反应流动的可行性。将混合算法的计算效率与DSMC方法的计算效率进行比较，发现混合算法能够大大提高计算效率。     

高超声速稀薄流的气粒多相流动DSMC算法建模研究

基于直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,构造适用于DSMC算法的固态和液态颗粒碰撞、聚合和分离模型,发展稀薄条件下双向耦合作用的气粒多相流的DSMC算法,在此基础上初步实现高超声速稀薄流环境中的气粒多相喷流流场数值模拟.算例结果表明该方法能为稀薄过渡区气粒多相流动提供一种新的应用研究手段.     

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.      

二维过渡区含化学反应的喷流干扰流场DSMC/EPSM仿真

构造可仿真含化学反应的稀薄／连续不同流动区域的DSMC／EPSM混合算法，应用该算法，数值模拟过渡区有横向喷流干扰的二维有限平板高超声速化学反应流场，分析流场结构和物面气动系数分布等特性，充分反映稀薄／连续混合区域高超声速流动中的化学反应效应，同时通过与DSMC算法比较，论证DSMC／EPSM混合算法的可行性与计算效率相对提高的优越性。     

DSMC量子动理学模型在火星再入流动中的应用

为解决化学反应模型高温数据缺乏的难题，探索DSMC方法量子动理学（QK）模型在实际中的应用，本文将该模型进一步应用于火星探测器稀薄气动特性的数值预测。通过计算探路者号在85 km、95 km和110 km高度的稀薄绕流，评估了QK模型的性能和稀薄气体效应的影响规律。结果表明，QK模型不依赖宏观的化学反应速率系数，适用于火星再入流动计算。化学反应及其模型对气动力的影响很小，但对气动热特性的影响不容忽略，考虑化学反应后的驻点热流可以下降约12%~14%。     

高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

稀薄流热化学非平衡效应的DSMC研究

以钝体绕流驻点线流场为例，应用直接仿真蒙特卡罗法，模拟了五组元混合气体（Ｎ２，Ｏ２，Ｎ，Ｏ，ＮＯ）中的碰撞能松弛，离散反应，交换反应及复合反应，给出了碰撞分子各自由度间的能量交换模式及各类化学反应的选择模式。ＤＳＭＣ仿真结果与宏观粘性激波层方程计算结果，在飞行高度较低时基本相符，表明采用的热化学非平衡非模式是令人满意的，随着飞行高度增高稀薄气体效应增大，二者在激波附近有显著差异，表明高空飞行必须考     

高超声速非平衡流场多个振动温度模型的数值研究

利用数值求解热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,建立了考虑一个和多个振动温度的高超声速热化学非平衡流场的CFD计算程序,并对半球模型和球锥模型进行了数值计算,研究结果表明:(1)各个分子组分的振动温度分布于考虑一个振动温度模型的振动温度周围,即一个振动温度模型的振动温度是多个振动温度模型的各个分子组分振动温度的一种平均值;(2)在模型身部,振动温度的峰值高于平动温度的峰值;在模型近尾出现振动温度冻结并高于平动温度。     

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。