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高超声速稀薄流场AUSM分裂式DSMC-IP方法研究

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工程力学 2022年第1期39卷 228-242页

作者：许啸马新建张军沈妍江苏科技大学张家港校区机电与动力工程学院镇江212003 上海航天技术研究院航天动力技术研究院上海201109 南京航空航天大学航空学院南京210001

针对直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法统计耗散较大而传统的信息保存(DSMC-IP)方法难以有效模拟强激波的问题,采用对流迎风分裂(AUSM)通量计算格式对IP方法进行改造。以局部马赫数为标准重构控制方程中的关联项通量,使计算更加准确的符合激... 详细信息

针对直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法统计耗散较大而传统的信息保存(DSMC-IP)方法难以有效模拟强激波的问题,采用对流迎风分裂(AUSM)通量计算格式对IP方法进行改造。以局部马赫数为标准重构控制方程中的关联项通量,使计算更加准确的符合激波两侧的流动特征,从而形成一种具有较高统计精度和高超声速流动模拟能力的新型DSMC-IP方法。采用该方法对超声速圆柱和带扩张角的喷管高超声速流动进行数值模拟,结果显示,该方法与DSMC方法的计算结果相比,其流场结构基本相符,而前者的统计耗散明显更低,且流动特征更清晰,表面特征系数与实验值或参考值相差在5.5%以内,证明了该方法在高超声速稀薄流场模拟中的准确性和有效性。

关键词：流体力学数值计算方法 DSMC-IP方法高超声速 AUSM格式稀薄流动通量分裂

一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略及其应用

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空气动力学学报 2007年第1期25卷 110-115页

作者：王学德伍贻兆夏健南京航空航天大学航空宇航学院江苏南京210016

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... 详细信息

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,编制了计算程序。最后对过渡流域高超声绕流进行了数值试验。

关键词：非结构网格直接物理模拟 DSMC 稀薄流动高超声速绕流

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气体动理学格式及其在再入问题中的应用

空气动力学学报 2018年第5期36卷 885-890页

作者：李诗一张潮谭爽李启兵符松清华大学航天航空学院北京100084

介绍了气体动理学格式GKS在飞行器高超声速再入过程涉及的跨流域稀薄及湍流等复杂流动问题中的拓展和应用。GKS利用BGK方程的通解来计算单元界面上的通量,耦合了分子的自由运动和相互碰撞,内涵多尺度特性。本文发展了耦合多种湍流模式... 详细信息

介绍了气体动理学格式GKS在飞行器高超声速再入过程涉及的跨流域稀薄及湍流等复杂流动问题中的拓展和应用。GKS利用BGK方程的通解来计算单元界面上的通量,耦合了分子的自由运动和相互碰撞,内涵多尺度特性。本文发展了耦合多种湍流模式的拓展GKS,能对典型高超声速湍流进行有效模拟。基于通量重构CPR框架发展了非结构网格上的高精度格式CPR-GKS,在可压缩黏性流动中可以同时保持高精度和良好的激波捕捉能力。为模拟航天器再入过程中的跨流域稀薄流动,发展了适合大规模并行计算的高效UGKS,并在再入问题中得到了很好的应用。研究揭示了GKS在再入问题模拟中的优异性能及其广阔的应用前景。

关键词：气体动理学格式再入湍流模拟高精度格式稀薄流动

基于量子动理学模型的多原子分子化学反应及其能量分布

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基于量子动理学模型的多原子分子化学反应及其能量分布

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

第十二届全国流体力学学术会议

作者：高达贺碧蛟吴成赓刘立辉蔡国飙北京航空航天大学宇航学院宇航推进系

火星再入过程中,高超声速气流在飞行器前端滞止,温度迅速升高,高温下的化学反应会显著改变气体性质参数,进而影响飞行器所受的气动热。火星高空领域气体处于稀薄状态,气体流动的模拟一般采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte C... 详细信息

火星再入过程中,高超声速气流在飞行器前端滞止,温度迅速升高,高温下的化学反应会显著改变气体性质参数,进而影响飞行器所受的气动热。火星高空领域气体处于稀薄状态,气体流动的模拟一般采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法;化学反应模型主要有总碰撞能量模型(total collision energy,TCE)和量子动理学(quantum-kinetics,Q-K)模型。Q-K模型已经被验证是一种能够应用于平衡/非平衡的化学反应模型,对于双原子分子的反应已经有较多研究。火星大气中的主要成分是CO,因此还需要开展Q-K模型在多原子反应的应用研究。目前已有学者应用Q-K模型对CO的离解反应和置换反应的反应速率进行了研究,但是对于反应后能量分配和细致平衡的研究还有待开展。本文首先将Q-K模型应用于包含多原子分子CO的化学反应的DSMC模拟中,由此获得的不同离解反应和置换反应的反应速率和文献中基本吻合。其中,对于活化能需要修正的置换反应,反应速率的理论计算方式应采用基于振动能级分布的积分计算方法,直接应用基于Boltzmann分布的简化计算方法将会导致一定的误差。同时,本文针对CO+O■CO+O的正逆反应,反应后产物的能量分配方式分别采用了Larsen-Borgnakke (L-B)分配和Q-K分配。结果表明,由于逆反应消耗的CO的振动能量分布与正反应生成的CO振动能量分布不一致,因此采用L-B分配方式无法达到细致平衡;而由于Q-K分布采用了反应前的CO振动能量分布作为该组分的反应后振动能量分布,因此可以避免此问题,最终可以实现细致平衡。

关键词：稀薄流动 DSMC Q-K模型化学反应能量分配

来源： cnki会议评论

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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：张利南京理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：远程弹箭稀薄流动 DSMC方法气动力系数桥函数方法

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火星大气稀薄流DSMC数值模拟技术研究

火星大气稀薄流DSMC数值模拟技术研究

作者：何涛南京航空航天大学

学位级别：硕士

本文以火星探测为研究背景,针对飞行器高超声速再入火星稀薄大气过程中的流动问题,采用直接模拟蒙特卡罗方法(the Direct Simulation Monte-Carlo method,DSMC)开展研究,考虑热化学非平衡效应,发展了一套可求解火星大气稀薄流动的DSMC... 详细信息

本文以火星探测为研究背景,针对飞行器高超声速再入火星稀薄大气过程中的流动问题,采用直接模拟蒙特卡罗方法(the Direct Simulation Monte-Carlo method,DSMC)开展研究,考虑热化学非平衡效应,发展了一套可求解火星大气稀薄流动的DSMC数值模拟程序。首先分析了火星环境特征和探测关键技术,基于火星大气高稀薄程度的特点,确定了采用DSMC方法模拟火星大气高超声速流动的技术途径。其次,梳理了DSMC方法模拟稀薄气体流动所涉及的分子气体动力学、统计热力学基础理论,阐述了DSMC方法的算法实现过程,结合基本算例对本文程序予以验证。根据研究工作中的经验,提出网格划分、模拟分子数设定、计算量预估等方面的一些建议。然后,研究了火星大气化学反应DSMC方法的实现,分析了CO分子振动模态,给出多原子分子振动能松弛在DSMC中的实现方法,建立火星大气化学反应模型并将其嵌入DSMC方法中,发展了一套可用于火星大气稀薄流化学反应效应计算与分析的求解程序,采用不同组元反应算例对程序予以验证,在此基础上研究了火星大气热化学非平衡效应。最后,基于本文发展的火星大气稀薄流DSMC计算程序,研究了气体稀薄程度对流场特性的影响,总结了流场结构随努森数的变化规律,在此基础上提出了一种稀薄流流场预估的经验方法,并运用该方法成功预估了高超声速圆柱绕流激波位置。本文发展的计算技术可对高超声速稀薄流场特性与气动特性进行数值模拟与分析,可用于地球、火星大气环境下的飞行器再入问题的求解,对工程设计具有一定的参考价值和指导意义。

关键词：热化学非平衡稀薄流动高超声速 DSMC 火星大气

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基于努森力的临近空间浮空器的浮力研究

基于努森力的临近空间浮空器的浮力研究

基于参数化的降阶离散速度方法在稀薄流计算中的应用

第七届高分辨率对地观测学术年会

作者：曾丹丹杨燕初蔡榕中国科学院空天信息创新研究院

传统浮空器受浮力原理限制,升限高度难以突破60km。结合临近空间大气环境的稀薄特性,本文提出了一种适用于60km以上大气的新型浮空器,该新型浮空器采用热蠕流效应中的努森力为浮力。为验证该新型浮空器的可行性,本文针对圆盘形和多孔圆... 详细信息

传统浮空器受浮力原理限制,升限高度难以突破60km。结合临近空间大气环境的稀薄特性,本文提出了一种适用于60km以上大气的新型浮空器,该新型浮空器采用热蠕流效应中的努森力为浮力。为验证该新型浮空器的可行性,本文针对圆盘形和多孔圆盘形浮空器,采用DSMC方法研究了努森力产生的浮力的大小及其变化规律。针对不同构型的浮空器,得到了浮空器不同表面温度、尺寸下,浮力随环境压力、温度变化的一般规律。对于多孔圆盘形浮空器,下表面温度为330K、上表面温度与大气环境等温时,采用10μm厚聚乙烯薄膜为浮空器材料,可升至70km以上高空;采用3μm厚聚乙烯薄膜材料,可升至80km以上高空。使用该新型浮空器将10kg载荷搭载至70km高空,若采用10μm厚聚乙烯薄膜,所需浮空器面积917m;若采用3μm厚聚乙烯薄膜,所需浮空器面积431m。

关键词：稀薄流动努森力浮力 DSMC方法

来源： cnki会议评论

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基于参数化的降阶离散速度方法在稀薄流计算中的应用