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电弧加热器试验条件下铁质小行星材料烧蚀机理分析

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深空探测学报(中英文) 2023年第4期10卷 436-442页

作者：石卫波党雷宁罗跃孙海浩黄洁中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000

研究铁质小行星进入地球大气层的烧蚀机理,对评估小行星撞击地球危害具有重要意义。基于试验现象建立了铁质小行星材料烧蚀的熔融烧蚀和熔融层剪切烧蚀模型,采用具有移动边界的气动热、烧蚀与内部热传导耦合求解技术对铁陨石模型烧蚀试... 详细信息

研究铁质小行星进入地球大气层的烧蚀机理,对评估小行星撞击地球危害具有重要意义。基于试验现象建立了铁质小行星材料烧蚀的熔融烧蚀和熔融层剪切烧蚀模型,采用具有移动边界的气动热、烧蚀与内部热传导耦合求解技术对铁陨石模型烧蚀试验状态进行了计算。计算分析表明建立的剪切烧蚀模型能够得到与试验在定性上一致的驻点烧蚀速率变化规律。若不考虑液态层流失,计算得到的规律与试验相反。计算分析结果显示表面蒸发速率与熔融层质量流失速率相比是小量,表明铁质小行星烧蚀以熔融层剪切流失为主导。可为小行星撞击地球防御提供参考。

关键词：铁质小行星烧蚀熔融剪切流失

高超声速化学非平衡流动Navier-Stokes/DSMC耦合算法

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航空学报 2018年第10期39卷 95-106页

作者：李中华党雷宁李志辉中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000 国家计算流体力学实验室北京100083

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... 详细信息

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。

关键词：过渡流 CFD DSMC 信息交换耦合算法化学非平衡

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小行星进入与撞击效应评估模型敏感性研究

力学学报 2021年第1期53卷 278-292页

作者：党雷宁柳森白智勇石义雷中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所四川绵阳621000

近地小行星对地球的撞击是人类生存和发展面临的潜在威胁之一.当前小行星进入与撞击效应评估模型输入参数不确定度大,给模型的使用带来困扰,也较大地影响了危害评估结果.本文分析了输入参数的取值范围,以范围中概率最大或文献的推荐值... 详细信息

近地小行星对地球的撞击是人类生存和发展面临的潜在威胁之一.当前小行星进入与撞击效应评估模型输入参数不确定度大,给模型的使用带来困扰,也较大地影响了危害评估结果.本文分析了输入参数的取值范围,以范围中概率最大或文献的推荐值作为敏感性研究的基准值,利用所发展的小行星进入与撞击效应分析评估软件AICA,通过改变一个或多个输入参数,研究能量沉积、空爆高度、4 psi(1 psi=6.89 kPa)超压损伤半径和3级烧伤半径等模型输出参数对输入参数的敏感性.对于直径60∼300 m、进入速度12∼40 km/s的石质小行星,本文的计算分析指出:随着尺寸的增大、进入速度的减小、烧蚀系数的减小、初次解体强度的增大或者碎片云质量分数的增大,小行星的空爆高度总体上减小;小行星及碎片阻力系数、强度指数对空爆高度和地面损伤范围影响较小;超压损伤半径和热辐射损伤半径总体上随着小行星尺寸和进入速度的增大而增大;碎片云质量分数小于50%时,能量沉积及地面损伤半径评估结果会出现波动,较大的碎片云质量分数基准值(如80%)能够代表大多数进入情况;流明效率仅影响热辐射损伤范围;3级烧伤半径小于4 psi超压损伤半径.

关键词：小行星进入与撞击效应评估模型敏感性超压热辐射

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DPLR隐格式在多块结构网格的计算实现

空气动力学学报 2018年第5期36卷 891-899页

作者：党雷宁白智勇柳森中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所四川绵阳621000

利用DPLR隐格式收敛快、适于并行计算的特点,结合DPLR在多块结构网格的对接边界处理,提出了一种隐式对接边界条件数学模型与数值处理方法。以二维和三维球头绕流为算例,研究了网格分块方式对DPLR隐式算法稳定性和收敛性能的影响。通过... 详细信息

利用DPLR隐格式收敛快、适于并行计算的特点,结合DPLR在多块结构网格的对接边界处理,提出了一种隐式对接边界条件数学模型与数值处理方法。以二维和三维球头绕流为算例,研究了网格分块方式对DPLR隐式算法稳定性和收敛性能的影响。通过返回舱复杂绕流问题数值模拟、气动特性检验分析以及与风洞试验对比,考察了算法在复杂外形数值模拟中的能力和高收敛性能特点:在非求解方向上进行网格分块,不会对DPLR算法的收敛性能产生影响;而在求解方向上进行网格分块,特别是分块位置在边界层内,会降低算法的稳定性和收敛性;提出的隐式对接边界条件处理方法,能改善在求解方向上进行网格分块造成的算法稳定性和收敛性能下降的问题。DPLR算法结合隐式对接边界条件能够成功应用于类返回舱外形体复杂流动数值模拟,且收敛速度较快。

关键词：返回舱收敛性能 DPLR 多块对接结构网格稳定性

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乘波飞行器外形设计与气动特性研究

乘波飞行器外形设计与气动特性研究

作者：党雷宁中国空气动力研究与发展中心

学位级别：硕士

乘波飞行器具有广阔的应用前景。为了研究乘波飞行器的气动特性和静稳定性,本文建立了以有限体积法、NND格式和LU-SGS方法为基础的数值计算方法。平板激波—边界层干扰和钝锥绕流的数值模拟表明,本文采取的数值计算方法和编制的计算软... 详细信息

乘波飞行器具有广阔的应用前景。为了研究乘波飞行器的气动特性和静稳定性,本文建立了以有限体积法、NND格式和LU-SGS方法为基础的数值计算方法。平板激波—边界层干扰和钝锥绕流的数值模拟表明,本文采取的数值计算方法和编制的计算软件能够较好地模拟超声速三维流场,能够精确地计算气动力。楔锥法乘波飞行器具有高升阻比、大体积率、发动机进口截面流动均匀性好的特点。本文利用楔锥法进行乘波飞行器外形设计,检验了设计过程和设计软件,并且研究了设计参数对性能参数的影响。计算表明,在本文确定的设计参数中, M∞、αwc、θ和k A等4个设计参数对乘波飞行器升阻比和体积率的影响是相反的,在实际的设计中必须进行优化。在一个较大的范围内, k C的增加使升阻比和体积率都增加。k B对升阻比和体积率影响不大。在乘波飞行器气动力特性的研究中,本文首先计算了尖前缘飞行器的气动力特性,然后以前缘曲率半径为40mm的钝前缘飞行器为例,研究了钝前缘飞行器的气动力特性,最后研究了前缘钝度对气动力的影响。研究发现,攻角对尖前缘和钝前缘飞行器的升阻比影响都较大,马赫数对尖前缘飞行器升阻比影响不大,但对钝前缘飞行器具有较大的影响。当攻角较小时,前缘曲率半径对升阻比的影响较大,随着攻角的增大前缘曲率半径的影响减弱。最大升阻比随着前缘曲率半径的增大而减小,但其对应的攻角却增大。在气动力特性计算的基础上,本文还讨论了乘波飞行器的静稳定性。本文的结果表明,对于在气动力计算中采取的乘波飞行器外形和计算范围,当尖前缘飞行器的质心范围为0＜Xcg＜0.542、钝前缘飞行器的质心范围为0＜Xcg＜0.539时,具有纵向静稳定性;对于钝前缘乘波飞行器,当其质心位于Xcg=0.4时,具有航向静稳定性。本文的研究和结论还是初步的,后续的研究可以在本文的基础上展开。

关键词：乘波飞行器数值计算气动特性静稳定性

模拟Chelyabinsk小行星进入的烧蚀实验

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力学学报 2020年第5期52卷 1362-1370,I0004页

作者：罗跃王磊党雷宁刘进博张军柳森中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所四川绵阳621000

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性.为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状... 详细信息

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性.为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验.试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18°.作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料.成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据.分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制:碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射.烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.

关键词：小行星进入烧蚀电弧加热器实验

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小行星撞击地球的超高速问题

力学学报 2018年第6期50卷 1311-1327页

作者：柳森党雷宁赵君尧白智勇黄洁李毅石义雷中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所四川绵阳621000

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的... 详细信息

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速(V=12～20 km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.

关键词：小行星撞击地球超高速空气动力学超高速碰撞动力学

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

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载人航天 2020年第4期26卷 452-458页

作者：党雷宁李志辉唐小伟梁杰彭傲平中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000 国家计算流体力学实验室北京100191

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的... 详细信息

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。

关键词：低地球轨道稀薄气体动力学失控自旋航天器轨道衰降预报等效迎角

天宫飞行器过渡流区高超声速绕流N-S/DSMC耦合计算

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载人航天 2020年第5期26卷 543-549页

作者：李中华党雷宁李志辉李绪国中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000 北京航空航天大学北京前沿创新中心国家计算流力学实验室北京100191

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚... 详细信息

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚松弛计算技术,建立了适于残骸碎片两体不同间隔绕流干扰流场的N-S/DSMC耦合算法。对天宫飞行器两舱结构体在过渡流区低密度风洞试验状态进行了耦合计算,计算结果与风洞试验结果吻合很好,验证了所建立的耦合算法对再入解体残骸碎片气动特性计算的有效性和可靠性。通过对天宫飞行器解体碎片的简化外形球和球柱体在过渡流区高超声速两体干扰气动特性进行不同间隔绕流场耦合计算分析,结果表明,在一定的距离范围内,两体干扰会对残骸碎片的气动特性产生较强的影响,不同的残骸碎片外形在不同距离的干扰规律不一致。计算结果为天宫飞行器再入解体气动融合轨道数值预报提供设计依据。

关键词：天宫飞行器空气动力学过渡流 CFD DSMC 信息交换耦合算法多体干扰