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月球着陆器发动机羽流和月壤颗粒相互作用的双向耦合数值模拟

月球着陆器发动机羽流和月壤颗粒相互作用的双向耦合数值模拟

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作者：李阳天津大学

学位级别：硕士

在月球着陆器着陆过程中,发动机喷出的羽流冲击月表,会将月壤颗粒从月表扬起,并使其加速向周围运动。弥漫的颗粒会降低能见度、磨损构件、使密封失效、危害宇航员生理健康,对着陆器的稳定着陆及月表探测任务产生诸多不利影响。羽流与月... 详细信息

在月球着陆器着陆过程中,发动机喷出的羽流冲击月表,会将月壤颗粒从月表扬起,并使其加速向周围运动。弥漫的颗粒会降低能见度、磨损构件、使密封失效、危害宇航员生理健康,对着陆器的稳定着陆及月表探测任务产生诸多不利影响。羽流与月壤颗粒的相互作用是亟待解决的关键问题。由于颗粒的空间分布十分广泛,并且浓度十分可观,颗粒对羽流的作用是关键影响因素。因此,双向耦合计算方法是数值研究此羽流与月壤颗粒相互作用问题的关键。本文发展了羽流与月壤颗粒相互作用的宏观双向耦合方法。该方法是指羽流对颗粒的宏观气动力和热传递改变了颗粒的速度和温度;同时,羽流的宏观速度和温度也随颗粒的影响而变化。羽流的宏观速度是气体分子的平均速度,宏观温度是气体分子热运动速度和内能的度量。本文根据动量和能量守恒定律,将羽流损失的动量和能量作用于直接模拟蒙特卡罗方法(Direct Simulation Monte Carlo,DSMC)气体模拟分子的平均速度、热运动速度和内能,实现了羽流与月壤颗粒的宏观双向耦合。宏观双向耦合计算结果表明,月壤颗粒呈喷射状分布,主要分布于月表上空,月表附近较少。颗粒直径对其运动特性和空间分布有较大影响,颗粒直径越小,运动速度越大,空间分布越广,喷射角度越大。与未考虑颗粒影响的单向耦合方法计算结果相比,颗粒速度平均降低41.5%,喷射角度平均降低1.99°。因此,双向耦合的计算方法考虑了月壤颗粒对羽流的影响,对颗粒的运动引起了不能忽略的重要影响。进一步,本文采用微观双向耦合方法对月壤颗粒的运动特性和空间分布进行了计算,并与宏观双向耦合方法进行了对比。微观双向耦合方法基于气体分子与颗粒的碰撞过程,通过考虑气体分子在颗粒表面碰撞前后的动量和能量传递确定颗粒速度和温度变化,并通过考虑气体分子在颗粒表面的反射实现颗粒对气体的影响。微观与宏观双向耦合方法的结果相比存在一定差异。相比宏观方法,微观方法计算得到的月壤颗粒沿着月表低速流区向远场运动。颗粒速度平均降低60.55%,喷射角度平均降低0.42°。最后,将本文的计算结果与阿波罗历次任务的光学估算结果进行了比较。结果表明,宏观双向耦合计算方法得到的喷射角度与数密度结果与估算数据更加吻合,验证了本文宏观双向耦合计算方法的可靠性。因此,双向耦合是羽流与月壤颗粒相互作用问题研究中不能忽略的重要影响因素。

关键词：月壤颗粒发动机羽流双向耦合方法 DSMC方法真空环境

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