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基于DSMC方法的超低轨道卫星阻力特性分析

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东南大学学报（自然科学版） 2023年第3期53卷 552-558页

作者：杭晓晨李彦斌孔祥宏陈强费庆国南京林业大学机电工程学院南京210037 东南大学空天机械动力学研究所南京210096 上海卫星工程研究所上海201109

为向工程中卫星结构设计提供载荷依据,基于直接模拟蒙特卡洛仿真方法,采用Maxwell漫反射和镜面反射联合模型,对一典型超低轨道卫星的阻力特性进行研究.分析了结构网格密度、卫星头锥、星体长细比等参数对阻力特性的影响,并通过算例与文... 详细信息

为向工程中卫星结构设计提供载荷依据,基于直接模拟蒙特卡洛仿真方法,采用Maxwell漫反射和镜面反射联合模型,对一典型超低轨道卫星的阻力特性进行研究.分析了结构网格密度、卫星头锥、星体长细比等参数对阻力特性的影响,并通过算例与文献结果对比以验证方法的准确性.结果表明,卫星阻力主要由迎风面投影面的压差阻力和卫星侧面的切向摩擦阻力组成.针对268 km典型超低轨道卫星模型,相同迎风面投影面积下,较尖的头锥结构能略微降低平飞阻力.卫星星体的长细比每增加1,阻力提升约5%~8%.全动尾翼通过改变攻角可以获得升力,升阻比为0.10~0.34.

关键词：卫星超低轨道直接模拟蒙特卡洛方法阻力特性

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吸气式太阳能热推进系统进气道特性分析

国防科技大学学报 2016年第6期38卷 59-63页

作者：黄敏超杜运良国防科技大学航天科学与工程学院湖南长沙410073

吸气式冲压推进技术是吸气式太阳能热推进技术的基础。如何设计一种性能理想的进气道是吸气式太阳能热推进技术研究的重点。应用稀薄气体动力学仿真常用的直接数值模拟蒙特卡洛算法对两种常见的进气道结构进行仿真分析,得到两种进气道... 详细信息

吸气式冲压推进技术是吸气式太阳能热推进技术的基础。如何设计一种性能理想的进气道是吸气式太阳能热推进技术研究的重点。应用稀薄气体动力学仿真常用的直接数值模拟蒙特卡洛算法对两种常见的进气道结构进行仿真分析,得到两种进气道工况下气体的温度、密度、流量系数和速度等参数的分布,并进行对比。通过比较,选择一种性能较好的构型作为吸气式太阳能热推进系统的进气道,从而为后续系统的设计、计算、分析和优化打下了基础。

关键词：吸气式太阳能热推进过渡区直接模拟蒙特卡洛方法进气道

大型航天器再入陨落时太阳翼气动力/热模拟分析

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宇航学报 2015年第12期36卷 1348-1355页

作者：梁杰李志辉杜波强方明中国空气动力研究与发展中心超高速所绵阳621000

采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内... 详细信息

采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对大型航天器离轨再入陨落过程中,其太阳翼帆板在稀薄过渡流域的气动力、气动热特性进行数值模拟,计算中采用流场直角与表面三角形非结构混合网格以及网格自适应技术处理这类复杂外形的流动模拟,考虑内能激发和化学反应来准确模拟气动加热,并基于MPI环境的并行算法解决计算量庞大的难题。通过计算分析太阳翼水平和垂直放置时在不同高度、不同攻角下的复杂流动特征,表明在90 km以上高空,太阳翼垂直放置时,飞行器头部脱体激波与帆板脱体激波会产生更强烈、更复杂的激波/激波和激波/边界层的干扰,在气动力和气动热的双重作用下要比水平放置时的太阳翼更快地被撕裂并脱离目标航天器。

关键词：大型航天器太阳翼离轨再入稀薄流域气动热力学直接模拟蒙特卡洛方法

基于VHS分子模型的DSMC方法研究分子蒸馏气相微观特性

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2015年第11期48卷 1023-1029页

作者：许松林李阳天津大学化工学院天津300072

为了研究分子蒸馏器内气体的微观特性,基于变径硬球分子模型,采用了直接模拟蒙特卡洛方法,考虑了分子转动能和平动能,建立了描述分子蒸馏气相传递过程的一维和二维模型,计算了不同蒸发温度下的蒸发效率,并将模拟计算值与实验数据对比,... 详细信息

为了研究分子蒸馏器内气体的微观特性,基于变径硬球分子模型,采用了直接模拟蒙特卡洛方法,考虑了分子转动能和平动能,建立了描述分子蒸馏气相传递过程的一维和二维模型,计算了不同蒸发温度下的蒸发效率,并将模拟计算值与实验数据对比,验证了模型的合理性.通过模拟分子的运动和碰撞过程,分析了蒸发温度、冷凝温度和蒸发面与冷凝面的间距等参数对气相空间的碰撞频率和分子平均自由程分布的影响.结果表明:碰撞频率和平均自由程分布的变化始终呈相反趋势;在蒸发面附近,碰撞频率和分子平均自由程分别处于各自最大值和最小值;从蒸发面到冷凝面的气相空间,碰撞频率逐渐减小,分子平均自由程逐渐增大;靠近冷凝面时,碰撞频率和分子平均自由程分别达到各自最小值和最大值;随着蒸发温度或冷凝温度的升高,气相空间同一位置处的碰撞频率增大而平均自由程减小;随着蒸发面与冷凝面的间距增加,碰撞频率在同一位置处有所增大,但在冷凝面附近更小;间距增加,同一位置处的分子平均自由程减小,但是冷凝面附近,间距越大时平均自由程也越大.

关键词：分子蒸馏直接模拟蒙特卡洛方法变径硬球碰撞频率平均自由程

真实气体效应对MSL火星进入气动特性的影响研究

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航天返回与遥感 2017年第4期38卷 8-17页

作者：梁杰李志辉杜波强方明中国空气动力研究与发展中心超高速所绵阳621000

探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大,需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法,模拟稀薄环... 详细信息

探测器超高速进入火星过程的高温真实气体效应对飞行稳定性和防热系统影响极大,需要在初步设计阶段对探测器的气动力热特性进行精确预测。文章构建了采用流场直角与表面非结构混合网格以及网格自适应的直接模拟蒙特卡洛方法,模拟稀薄环境高温真实气体效应的依赖于温度的多原子分子振动激发和8组份54化学反应模型。通过计算"火星探路者"外形气动力系数随攻角的变化,并与文献提供的计算结果对比,有较好的一致性,验证了该文算法的可靠性。文章模拟了"火星科学实验室"在火星大气环境70km高度、进入速度为5.85km/s下的高温真实气体效应对气动力、气动热和流场特征的影响。通过与完全气体计算结果对比,表明高温真实气体效应影响下的激波脱体距离减小,表面热流降低,轴向力系数增加、配平攻角减小、压心位置随攻角变化显著。

关键词：深空探测火星进入直接模拟蒙特卡洛方法真实气体效应气动特性

特征参数对DSMC方法模拟声场中颗粒碰撞的影响

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上海理工大学学报 2016年第5期38卷 419-426页

作者：郭孝武凡凤仙胡晓红苏明旭上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093

直接从颗粒受力和运动出发,基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法建立颗粒碰撞模型,模拟声场中颗粒的碰撞过程,通过改变模拟条件,探讨DSMC方法中的特征参数(取样颗粒的数目权重、网格数目、时间步长)对颗粒碰撞率和计算时间的影响.结果表明:... 详细信息

直接从颗粒受力和运动出发,基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法建立颗粒碰撞模型,模拟声场中颗粒的碰撞过程,通过改变模拟条件,探讨DSMC方法中的特征参数(取样颗粒的数目权重、网格数目、时间步长)对颗粒碰撞率和计算时间的影响.结果表明:频率越大,颗粒容积份额变化越迅速,颗粒空间分布越不均匀;数目权重的增加对颗粒碰撞率影响较小,而对计算时间的影响显著,使其迅速减少;网格数目增加,碰撞率降低,计算时间则先迅速降低,随后在低频时基本不变,高频时略有上升.研究还发现:随着碰撞时间步长的增加,低频声场中碰撞率单调增加,高频声场中碰撞率先增加而后出现波动;碰撞时间步长的增加将引起计算时间减少,减少量在碰撞步长较小时最为明显.

关键词：声场颗粒碰撞直接模拟蒙特卡洛方法特征参数

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大温差气固相互作用模型数值研究及应用

大温差气固相互作用模型数值研究及应用

作者：吴晓妍中国科学技术大学

学位级别：硕士

气固相互作用是许多物理问题的基础,描述气体分子反射速度分布规律的散射核是其核心。经典散射核模型存在自由参数,且不考虑气固温度差异的影响。随着微尺度流动、稀薄环境下高超声速流动等研究的深入,对气固相互作用模型提出了更高的... 详细信息

气固相互作用是许多物理问题的基础,描述气体分子反射速度分布规律的散射核是其核心。经典散射核模型存在自由参数,且不考虑气固温度差异的影响。随着微尺度流动、稀薄环境下高超声速流动等研究的深入,对气固相互作用模型提出了更高的要求。本文从分子尺度直接模拟气固相互作用过程,进而重建散射核模型,考察气固温度差异的影响,拓展气固相互作用模型的适用范围,并将其应用于高速稀薄气体流动模拟。首先,采用GPU双层并行的分子动力学（MD）方法,直接模拟了不同温度的气体分子与固定温度壁面的相互作用过程,获得气体分子反射速度与入射状态之间的关系。进而应用机器学习方法,以Cercignani-Lampis-Lord（CLL）模型为基础,从直接模拟数据中重建出更精确的、考虑气固温度差的修正散射核（MCLL）模型,并分析了模型参数、气体分子散射特性随气固温度比的变化规律。结果表明,在所讨论温度范围内,与MD模拟结果相比较,修正散射核模型能准确重现反射速度与同方向入射速度的概率密度分布;气固温度差异对散射核的影响体现在特征温度调整为气体温度、调节系数随入射速度及气固温度比变化等两个方面。随着气固温度比变大,气体分子入射速度对散射特征的影响增强,当温度比超过2.5时切向反射速度分布不再受温度影响,而法向分布仍持续缓慢变化。其次,采用直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法计算了高速稀薄气体对斜直壁面的流动,分析了不同散射核模型的影响。应用标准CLL模型、考虑真实空气高温非平衡效应的计算结果表明,调节系数的具体取值基本上不改变流动结构,但激波角随着切向动量调节系数变大而略增大,壁面滑移速度降低,壁面附近振动温度显著升高。进而,考察了 Maxwell模型、标准CLL模型、MCLL模型存在斜直壁面对单原子气体高速流动的影响,其中标准CLL模型的调节系数由MD数据学习确定。不同模型计算得到的流动结果差异仍然主要存在于壁面附近,与MCLL模型结果相比,Maxwell模型结果随调节系数在较大范围变化,调节系数越小,差异越明显;CLL模型在压力分布、滑移速度、壁面热通量等方面基本一致,但壁面附近温度明显偏低。这表明考虑局部气固温度差效应的MCLL模型能更准确的描述高超声速流动中壁面效应。

关键词：气固相互作用分子动力学算法机器学习直接模拟蒙特卡洛方法

基于蒙特卡罗方法的磨粒流抛光技术数值模拟研究

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基于蒙特卡罗方法的磨粒流抛光技术数值模拟研究

作者：王彬宇长春理工大学

学位级别：硕士

磨粒流抛光技术是作为一种提高表面质量的非传统光整加工技术,在军工和民用领域具有重要应用。固-液两相磨粒流抛光技术是以流体为载体,带动磨粒在待加工通道或表面上进行无规则的运动,从而对待加工表面进行无规则的碰撞来完成对待加工... 详细信息

磨粒流抛光技术是作为一种提高表面质量的非传统光整加工技术,在军工和民用领域具有重要应用。固-液两相磨粒流抛光技术是以流体为载体,带动磨粒在待加工通道或表面上进行无规则的运动,从而对待加工表面进行无规则的碰撞来完成对待加工表面的微切削,以达到光整加工的目的。因此对于磨粒运动规律的研究在磨粒流抛光技术研究中起至关重要的作用。为探究磨粒流抛光过程中磨粒运动对磨粒流光整加工效果的影响,本文采用直接模拟蒙特卡罗方法对磨粒流抛光过程中的颗粒碰撞进行数值模拟,以变口径管和U型管为研究对象在考虑磨粒碰撞和不考虑磨粒碰撞两种情况下进行磨粒流抛光数值模拟分析,得到了流场的动压、湍流动能、磨粒分布等状态参数,进而分析磨粒碰撞对磨粒流光整加工效果的影响。对不同磨粒流抛光工艺参数如磨粒粒径、磨粒质量流量、入口速度对90°弯管进行数值模拟,分析上述加工工艺参数对磨粒流抛光效果的影响。根据数值分析结果,以90°弯管以及变孔径管为试验样件,进行正交试验以及对比试验分析,得到不同抛光条件下的工件表面粗糙度和表面形貌,建立了工件表面粗糙度与抛光工艺参数之间关系的数学模型。通过对试验结果的分析,经磨粒流抛光的工件表面粗糙度有明显下降,工件表面也变得更加光整。通过数值模拟研究以及试验研究,研究了磨粒流抛光过程中磨粒与磨粒之间碰撞对磨粒流抛光效果的影响,探究了不同加工工艺参数对磨粒流抛光效果的影响规律,验证了直接模拟蒙特卡罗方法对磨粒流抛光过程数值模拟的有效性,为磨粒流抛光技术的发展提供一定的理论与技术支持。

关键词：磨粒流抛光技术直接模拟蒙特卡洛方法数值模拟磨粒碰撞

稀薄环境下高空羽流流动与超窄谱红外辐射特性数值研究

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红外与激光工程 2020年第S01期49卷 117-127页

作者：包醒东余西龙吴杰毛宏霞王振华肖志河中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 光学辐射重点实验室北京100854

采用直接模拟蒙特卡洛方法描述有限个仿真分子的运动、碰撞以及传能效应,计算得到高空羽流非平衡流场特性,利用统计平均方法获取羽流场的宏观参数,并采用佛奥特线型函数描述稀薄气体的展宽,逐线积分得到气体超窄谱红外辐射特性参数,结... 详细信息

采用直接模拟蒙特卡洛方法描述有限个仿真分子的运动、碰撞以及传能效应,计算得到高空羽流非平衡流场特性,利用统计平均方法获取羽流场的宏观参数,并采用佛奥特线型函数描述稀薄气体的展宽,逐线积分得到气体超窄谱红外辐射特性参数,结合反向蒙特卡洛方法计算高空羽流辐射传输方程,利用理论和实验数据验证流动与辐射计算模型的适用性,在此基础上,以某小推力发动机为对象,研究了其流动与超窄谱的红外辐射特性。研究结果表明:高空羽流场由于急剧膨胀,导致密度快速下降,进而产生明显非平衡效应;燃气组分受速度惯性影响,不同分子量的组分会有扩散分离效应;燃气组分谱线细而窄,以多普勒展宽为主,辐射峰值往中波平移,且4.7μm的CO及6.5μm的H2O发射带辐射能量占有更大份额;辐射亮度轴向分布集中在二倍喷管直径距离内,辐射亮度径向分布集中于分离波线以内的激波区内及内流区,其他区域成指数衰减。

关键词：高空羽流直接模拟蒙特卡洛方法反向蒙特卡洛方法红外辐射