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。     

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。     

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.      

绕平板上直圆柱体的高超声速湍流分离流

本文给出直圆柱上游中心线上壁面压力和热流特性及其分离激波运动的特征参数。试验条件是:自由流马赫数为7.8和5,单位长度雷诺数为3.5×10~7/米和4.7×10~7/米。结果表明:1.直圆柱上游中心线上的流场是一个有二次分离的流场,平均壁面压力分布呈双峰型,平均热流分布略有不同,出现一近似平台区,但在分离激波上游影响起始区域和直圆柱前缘邻近区域(x/D<0.5),两者变化极其相似。来流马赫数愈高,分离激波在中心线上的上游影响区长度和峰压及峰热值愈大。2.分离激波是极其不稳定的,出现大尺度低频运动,激波流向运动尺度约0.5D,振荡频率主要集中在2.5kHz以下。     

高超声速钝体绕流的奇异摄动理论

对于二维和轴对称的物体的无粘高超声速绕流,当比热比Υ→1和来流Mach数M→∞时,激波将贴近物面,Chernyi等人应用薄激波层理论给出了尖头物体绕流问题的渐近展开解,它属于正则摄动理论。但对于钝头体,Chernyi等人的理论遇到了困难,因为该理论中对各物理量的量阶估计在物面附近是不适用的。本文在对物面附近各物理量的量阶重新进行估计的基础上,以Chernyi等人的渐近展开式作为外解,并在物面附近给出了各物理量的新的内解的渐近展开式,从而用奇异摄动理论中匹配的渐近展开法,得到了钝头体绕流问题的解。文中还给出了渐近展开式中首项的解析表达式结果。     

绕凸台的高超声速分离流动研究

本文研究高超声速流动绕三维低凸台的流动特性。凸台高度与边界层厚度之比介于0.5～0.8,凸台周边倾角介于14°～45°。在高超声速风洞中,来流马赫数为5,单位雷诺数为2.6～6.0×10~7/米。实验过程中测量了模型中心线及特殊部位之表面压强分布,根据纹影记录及表面流动显示确定激波与边界层干扰流场特性及分离区的变化。发现分离区在中心线上距凸台最远,而在凸台肩部距周边沿法线方向最近,确定了中心线上最大压强比的位置。     

有限平板绕流Monte—Carlo方法仿真

本文采用直接仿真Monte-Carlo方法求解有限长平板绕流等问题。本方法是通过计算机跟踪仿真分子的运动来实现数值模拟的。仿真分子间的碰撞计算由统计抽样确定。碰撞模型分别选用了硬球分子模型和负幂律分子模型。仿真分子与固壁作用采用由完全扩散反射和镜面反射按比例混合组成的模型。为了检验方法的可靠性,还计算了激波结构和Rayleigh问题等一维流动,二维计算采用同步并行程序。数值结果表明直接仿真Monte-Carlo方法能够较好地模拟稀薄气体力学中的一些问题。对于二维计算,所花费的机时和所需的内存均在国内机器所允许的范围内。     

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.     

带配平翼钝体高超声速粘性绕流的数值模拟

采用ＮＮＤ差分格式,通过求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程,数值模拟了带配平翼钝体的高超声速粘性绕流。文中首先以球头驻点压强和热流为参数,讨论了在差分方程左端采用ＬＵ－ＳＧＳ、ＬＵ－ＡＤＩ和对角化ＡＤＩ三种不同隐式算法收敛效率的异同。然后以带配平翼钝体的高超声速粘性绕流为模型,对所研制的程序进行了计算验证。在计算中采用了代数方法和求解椭圆型方程方法相结合的网格生成技术,针对配平翼外形给出了贴体性、     

壁面非平衡复相催化反应及其对传热的影响

本文在理想吸附层假定下对两种常见的复相催化反应模型导出了反应速度表达式,分析了反应级数的变化规律和范围,采用新定义的“壁面催化非平衡系数”作为表征壁面非平衡催化工况的准参则数,用粘性激波层法计算分析了壁面非平衡催化效应对驻点区壁面热流的影响规律。     

不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场影响的数值分析

采用轴对称NS方程,数值研究不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场的影响,包括:(1)不同组元数的高温空气模型(5组元、7组元、11组元)的比较;(2)热力非平衡(双温度)的化学动力过程与热力平衡(单温度)的化学动力过程的比较.计算结果表明,高焓风洞实验条件下喷管流场处于热力和化学都是非平衡的状态.在计算条件下,数值模拟以采用7组元或11组元的热化学非平衡模型为宜.     

存在烧蚀的高超声速压缩拐角流动数值研究

耦合求解热化学非平衡流控制方程和烧蚀壁面边界条件,进行存在石墨烧蚀的压缩拐角流场数值模拟。流场化学反应采用16组元(N₂,O₂,NO,N,O,NO⁺,N⁺₂,O⁺,N⁺,CO,CO₂,C,C₂,C₃,CN,e^-)29个反应的非平衡模型,热力非平衡的双温度模型下,不同反应采用不同控制温度。石墨材料表面反应包括碳的氧化反应、碳催化的O原子复合反应和碳的升华反应。对15°、18°、24°压缩拐角模型,在自由流Ma=10~30,总焓值6~55MJ/kg范围,分别进行无烧蚀的壁面催化与非催化条件和石墨烧蚀条件下的流场计算,分析各类条件下的流场结构、流动分离特性以及流场热化学参数分布特点,研究壁面条件对流动特性的影响。结果表明：流动分离可能性和分离区范围随着压缩拐角斜面倾角增大而增大,随来流马赫数增大而减小;相对于低壁温条件,无烧蚀的辐射平衡壁温和壁面烧蚀条件下流动分离区增大,斜面上压力、摩阻和热流峰值点也有所后移。     

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,引人动态数组、指针、链表以及派生类型数据,编制了     

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     

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。     

过渡区球锥气动力特性的桥函数估算与DSMC仿真研究

采用DSMC(DirectSimulationMonte-Carlo)方法模拟球锥体过渡区流动。论文给出了不同Knudsen数球锥绕流流场的温度与压力分布图,以及在不同Knudsen数、不同马赫数条件下球锥阻力系数和底部阻力系数的分布,并将阻力系数模拟结果与桥函数一体化估算结果进行了比较分析。