DSMC与桥函数方法在远程弹箭过渡区气动力计算中的应用研究

作     者：张利 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史金光

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082501[工学-飞行器设计] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：远程弹箭 稀薄流动 DSMC方法 气动力系数 桥函数方法 

摘      要：根据高空飞行器不同飞行高度上大气的稀薄程度,可将其飞行高度分为三大区域,即低空稠密大气中的连续流区、高空极低密度的自由分子流区以及位于这两个区域之间的过渡流区,衡量气体稀薄程度的参数则是克努森数Kn。连续流区气动力系数的计算方法是基于连续介质模型,而在稀薄气体中连续介质模型不再成立,基于连续流基本方程的流动求解方法不再有效。目前,远程弹箭的弹道高度可达到80km,甚至80km以上,远程弹箭长时间在过渡流区飞行,因此,建立过渡流区气动力系数计算模型对远程弹箭的研究有重要意义,而将DSMC数值模拟技术与桥函数方法相结合是一种行之有效的方案。本文首先研究了DSMC模拟方法所用到的数学模型,包括分子间的碰撞模型及两分子碰撞后速度的求解公式、分子物面相互作用模型、碰撞对的选取等,同时也给出了它们在DSMC模拟中的实现办法。并利用DSMC程序对几种简单外形物体在不同马赫数和不同克努森数下的绕流流场进行了模拟计算。其次,为了在工程设计初始阶段快速计算远程弹箭在过渡区的气动力系数,提出了一种工程估算方法——桥函数法。本文结合DSMC模拟结果,构造了sine-squared和erflog两种桥函数,分析了它们在过渡区气动力系数计算方面的适用性问题。数值计算表明,sine-squared和erf-log均能较好地计算过渡区气动力系数,而erf-log桥函数中的待定参数依赖于DSMC的模拟结果,计算不够快捷方便,因此本文选择sine-squared桥函数计算远程弹箭在过渡区的气动力系数。最后,基于sine-squared桥函数,建立了某远程弹箭过渡区气动力系数桥函数一体化计算模型,并利用三维球单锥的DSMC模拟结果验证了该模型的可行性,然后利用该模型对远程弹箭在过渡区的气动力系数进行了计算和分析。分析表明稀薄气体效应对过渡区的气动力特性有很大的影响,随着稀薄效应的增强,弹箭的升力、阻力和俯仰力矩系数都有明显地增加,升阻比则会减小,压心位置向前移动。