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稀薄流航天器鼻锥迎风凹腔气动力和气动热性能研究

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推进技术 2021年第9期42卷 2002-2010页

作者：张帅方蜀州许阳北京理工大学宇航学院北京100081

为探究稀薄流流域迎风凹腔的气动防热特性,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对稀薄流流域中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布情况,分析了不同凹腔深宽比对鼻... 详细信息

为探究稀薄流流域迎风凹腔的气动防热特性,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对稀薄流流域中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布情况,分析了不同凹腔深宽比对鼻锥冷却效率以及凹腔腔体内气体参数的影响。以深宽比为1的凹腔为基准,研究了凹腔唇口钝化半径对航天器气动热与气动力的影响。数值结果表明,稀薄流流域中迎风凹腔能够使鼻锥外壁面的热流密度下降7%左右;当凹腔深宽比达到1之后,凹腔侧壁面热流变化趋于一致,热流密度最低点的轴向位置不随深宽比改变,且凹腔底部热流很小,仅为L/D=0.5算例的28.66%;凹腔近底部气体均由稀薄流转化为连续流,凹腔内气体压力不断振荡;唇口钝化没有明显优势,虽然可以降低鼻锥峰值热流,但是会带来严重的气动力性能下降。

关键词：航天器鼻锥稀薄流凹腔气动力气动热热流

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稀薄流高超声速飞行器气动加热耦合计算

国防科技大学学报 2016年第5期38卷 112-120页

作者：屈程王江峰南京航空航天大学航空宇航学院江苏南京210016

针对稀薄流域高超声速飞行器的气动加热问题,开展耦合数值计算研究。通过引入牛顿冷却定律,将直接模拟蒙特卡洛数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计一种可对全机外形进行气动热和结构传热计算的高效松耦合方法,实现飞行器防热层... 详细信息

针对稀薄流域高超声速飞行器的气动加热问题,开展耦合数值计算研究。通过引入牛顿冷却定律,将直接模拟蒙特卡洛数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计一种可对全机外形进行气动热和结构传热计算的高效松耦合方法,实现飞行器防热层结构材料温度分布特性的数值模拟。在以钝锥外形为例对直接模拟蒙特卡洛数值模拟程序进行验证的基础上,采用该方法对X37B轨道飞行器外形长时加热与结构传热过程进行数值模拟,给出结构温度及热流密度随飞行时间的变化规律。研究结果表明,设计的耦合计算方法能够模拟稀薄流域高超声速飞行器的气动加热及结构传热耦合过程,可为该类飞行器的气动热分析及热防护设计提供技术支持。

关键词：稀薄流高超声速气动热结构传热牛顿冷却定律直接模拟蒙特卡洛松耦合

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电离对高超声速稀薄流飞行器气动热影响

航空动力学报 2016年第9期31卷 2156-2163页

作者：屈程王江峰南京航空航天大学航空宇航学院南京210016

将电离反应模型扩展到(direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法中,研究了电离反应效应对高超声速稀薄流飞行器气动热的影响特性.针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入"捆绑法"思想处理电子在流场中的运动,并给出了电离反应模型... 详细信息

将电离反应模型扩展到(direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法中,研究了电离反应效应对高超声速稀薄流飞行器气动热的影响特性.针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入"捆绑法"思想处理电子在流场中的运动,并给出了电离反应模型及电离反应处理方法.在以RAM-CⅡ飞行器外形为例对增加了电离反应的DSMC代码进行验证的基础上,以"星尘号"探测器外形为研究对象,针对不同飞行高度下5组元混合气体模型(无电离)和11组元混合气体模型(含电离)的化学非平衡流动开展了数值模拟,细致分析和对比了电离反应效应对探测器气动热的影响规律.研究结果表明:采用的电离反应处理方案能够模拟带电离反应的高超声速化学非平衡稀薄流动.在飞行高度为60km时电离反应对探测器气动热的影响最为强烈,使探测器的驻点热流密度降低了5.12%,电离反应对探测器气动热的影响随气体稀薄程度增加而减弱.

关键词：气动热 DSMC方法电离反应高超声速稀薄流

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稀薄流区的摩阻测量技术及减阻试验应用

航空学报 2024年

作者：刘春风何啸天苗文博王雪枫程晓丽中国航天空气动力技术研究院

本文面向稀薄流区发展了基于摩阻天平的摩阻测量技术，并以提高表面光洁度实现减阻作为应用实例，在高超声速低密度风洞中设计了一种对比测量试验，包括带有光滑壁面和常规壁面的平板模型和摩阻天平，平板模型的光滑壁面和常规壁面对称... 详细信息

本文面向稀薄流区发展了基于摩阻天平的摩阻测量技术，并以提高表面光洁度实现减阻作为应用实例，在高超声速低密度风洞中设计了一种对比测量试验，包括带有光滑壁面和常规壁面的平板模型和摩阻天平，平板模型的光滑壁面和常规壁面对称布置，并依次搭配感应面为光滑壁面和常规壁面的摩阻天平。天平结构体基于悬臂梁原理设计，考虑过载保护和热防护，并通过载荷渐进法实现与试验状态最为接近的微量摩阻载荷校准。通过风洞试验误差的定量评估和主动控制，感应面表面压力引入的误差可控制在1%以内，浮动头错位引入的误差可控制在2%以内。Ma=22的7次重复性风洞试验显示摩阻天平的测量标准偏差不超过2.9%，光滑壁面相比常规壁面可有效减阻，平均减阻率为25.1%。

关键词：稀薄流摩阻天平减阻风洞试验

高超声速稀薄流球面气动热工程计算公式的建立

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导弹与航天运载技术 2012年第5期 32-38页

作者：刘腾王平阳包轶颖李鹏上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海宇航系统工程研究所上海201108

为了建立球面高超声速稀薄流气动热的工程算法,采用直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)进行多种工况下的计算,对3种计算驻点气动热的工程算法进行考察,选取具有较高精度的实验数据相关法公式作为驻点热流计算依据,得到球面关于驻点的归一化热流值... 详细信息

为了建立球面高超声速稀薄流气动热的工程算法,采用直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)进行多种工况下的计算,对3种计算驻点气动热的工程算法进行考察,选取具有较高精度的实验数据相关法公式作为驻点热流计算依据,得到球面关于驻点的归一化热流值,分析来流及几何参数变化对归一化热流分布的影响,最后得到球面热流的工程计算公式。该公式克服了桥函数法在球面后半部分计算结果严重偏离DSMC方法预测结果的问题,具有较高的精度。

关键词：稀薄流气动热 DSMC方法归一化方法

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湿喷砼的稀薄流浮游输送

中州煤炭 1991年第6期 11-16页

作者：孙福星乔国恩郑州煤炭干部管理学院河南省煤炭科研所

锚喷支护技术在国内外矿山井巷、交通隧道、水工涵洞、地下工程和地面大型砼构筑物施工中得到广泛应用。但目前大多数仍是干喷作业,存在着粉尘大、回弹多、喷层质量差等问题,近年来各国都在致力于研制性能良好的湿喷设备。但是由于湿喷... 详细信息

锚喷支护技术在国内外矿山井巷、交通隧道、水工涵洞、地下工程和地面大型砼构筑物施工中得到广泛应用。但目前大多数仍是干喷作业,存在着粉尘大、回弹多、喷层质量差等问题,近年来各国都在致力于研制性能良好的湿喷设备。但是由于湿喷技术难度大、配套系统复杂,迄今还不能普遍推广应用,其中主要技术关键之一,就是湿砼混合料的管道输送非常困难,容易发生离析、粘附、堵管故障,喷射脉冲严重、输送距离短。本文就是研究和探讨实现稀薄流浮游输送的机理和解决湿喷技术关键问题。

关键词：混凝土湿喷稀薄流输送管道

高超声速稀薄流DSMC及弹丸气动热工程计算研究

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高超声速稀薄流DSMC及弹丸气动热工程计算研究

作者：徐科杰南京理工大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,现代战争的形态发生了转变,导弹作为最重要的战略武器,人们对它的要求越来越高。随着导弹技术的发展,导弹的速度越来越快,弹道越来越高,逐渐脱离了连续流域。这时,空气的稀薄效应严重,连续流方程也不再成立,从而导致经... 详细信息

随着科技的发展,现代战争的形态发生了转变,导弹作为最重要的战略武器,人们对它的要求越来越高。随着导弹技术的发展,导弹的速度越来越快,弹道越来越高,逐渐脱离了连续流域。这时,空气的稀薄效应严重,连续流方程也不再成立,从而导致经典气体动力学的失效。直接模拟蒙特卡洛方法(Direct Simulation Monte Carlo method,DSMC)的出现解决了这一困境,DSMC方法绕开对Boltzmann方程的求解,对流场进行直接模拟,取得了相当大的成功。本文利用DSMC方法对稀薄流场进行了计算和分析,根据平板摩阻和热流的比拟关系,加以形状修正,压缩修正等技术,发展了一种新的稀薄流域气动热工程算法,以快速得到稀薄流域高超声速弹丸的气动热,为高超声速弹丸热防护提供技术支持。首先,对DSMC方法的基础理论——分子动力学理论进行深入研究。阐述速度分布函数的推导以及分子二元碰撞的碰撞机理,对不同分子碰撞模型加以研究和讨论,简单介绍了各种碰撞模型的原理和优缺点,为后文对DSMC方法的应用打下基础。其次,基于非结构网格技术开展了DSMC方法研究并进行了程序编制。深入分析了DSMC方法的各项关键技术的具体实现,例如分子搜索技术、分子中碰撞对的取样、物面反射模型的实现、碰撞过程的能量交换等,并给出DSMC方法的计算流程。接下来,利用DSMC方法开展了过渡区平板绕流问题的计算与分析,研究不同高度、不同来流马赫数对平板流场的影响,着重对平板摩阻系数进行了分析和总结,给出不同高度、不同来流马赫数下平板的局部摩阻系数分布拟合公式,并与DSMC计算结果进行比较验证。最后,对不同流场的摩阻和热流密度进行分析,发现在马赫数较大的情况下,稀薄流域的摩阻和热流密度存在一定的比拟关系。同时使用DSMC计算程序对不同半锥角的圆锥母线型弹头流场进行数值模拟,利用“相当平板”的思想,给出不同半锥角的弹头摩阻系数的修正公式。结合摩阻与热流的比拟关系和弹头摩阻的计算公式,发展出了新的稀薄流域高超声速弹头气动热工程算法,并将工程算法计算结果与DSMC计算结果进行比较,验证了工程算法的准确性。

关键词：稀薄流高超声速 DSMC 气动热工程算法

高超声速稀薄流中化学反应的DSMC数值模拟研究

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高超声速稀薄流中化学反应的DSMC数值模拟研究

作者：叶品西北工业大学

学位级别：硕士

本文从分子气体动力学入手，结合现有直接蒙特卡洛(DSMC)的数值方法理论，对DSMC模拟高超声速稀薄流中的化学反应进行了研究，发展了一套适用于带化学反应的高超声速稀薄流动的DSMC数值模拟程序，并将其用于高空稀薄流中高超声速飞行器... 详细信息

本文从分子气体动力学入手，结合现有直接蒙特卡洛(DSMC)的数值方法理论，对DSMC模拟高超声速稀薄流中的化学反应进行了研究，发展了一套适用于带化学反应的高超声速稀薄流动的DSMC数值模拟程序，并将其用于高空稀薄流中高超声速飞行器的气动力、气动热等问题的分析。本文采用Larsen-Borgnakke唯象法来描述碰撞分子的平动能与内能之间的能量交换，并在此基础上，采用位阻因子法发展了一套DSMC唯象化学反应模型。对于离解反应，采用与振动能相结合的Larsen-Borgnakke唯象化学反应模型;对于其逆反应，引入了平衡碰撞理论来消除混合气体下，不同平衡温度对化学反应模拟所造成的偏差。另外，还尝试将最大熵方法引入DSMC中，取消了能量按当地平衡分布取样的假设限制，更能反映流动中存在的非平衡效应。本文数值模拟采用了可变硬球(VHS)分子模型，根据DSMC方法中网格生成原则，发展了一种基于结构贴体网格下的复合分子运动轨迹跟踪法，有效地处理了模拟分子的跟踪定位。分子碰撞对的抽样采用非时间计数器(NTC)法，分子与物面的碰撞则采用了漫反射模型进行处理，部分算例加入了壁面有限催化处理，得到了有意义的结果。最后，采用本文发展的方法，对热浴化学反应，高空高速圆柱绕流和钝头锥体绕流进行了数值模拟，对模拟所得的流场参数和物面参数进行了分析，并与理论、实验数据以及参考文献的数值结果进行比较，论证了本文发展的DSMC唯象化学反应模型的有效性。

关键词： DSMC 化学反应高超声速稀薄流

连续与稀薄流环境下吸气式激光推进器流场的数值模拟

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连续与稀薄流环境下吸气式激光推进器流场的数值模拟

作者：庄礼深清华大学

学位级别：硕士

激光推进作为一种新概念推进技术,在航天领域具有良好的应用前景。目前,使用化学火箭将一千克有效载荷送入太空,需要耗资2万美元以上,而实际上有效载荷获得的能量只有约66000千焦,仅相当于18度电的能量。这是因为化学火箭中99%的质量是... 详细信息

激光推进作为一种新概念推进技术,在航天领域具有良好的应用前景。目前,使用化学火箭将一千克有效载荷送入太空,需要耗资2万美元以上,而实际上有效载荷获得的能量只有约66000千焦,仅相当于18度电的能量。这是因为化学火箭中99%的质量是由推进剂和相关的储存与燃烧系统组成,而有效载荷只占很小的一部分。而激光推进可以将激光器置放与地面,因此其有效载荷的比重可以增加许多,从而大幅度降低发射的费用。同时,由于激光聚焦产生的温度,能轻易达到几万K,其比冲可以达到几千秒,而即使是最好的化学推进器,由于化学反应的温度有限,所能达到的最大比冲也只有500秒左右。由于激光推进有着许多传统化学火箭无法比拟的优点,目前已为世界主要航天大国所重视。但由于其机理仍未被充分认识,目前主要研究仍然处于实验室阶段,并未实际运用于航天领域中。在实际应用中,激光推力器可能需要在不同高度下工作,也即是说,它的环境大气既可能是低空处于连续流区的大气,也可能是高空的稀薄大气。而对于外部为稀薄大气的情况,目前仍未有深入的研究。为了认识和掌握激光推进的原理和规律,必须对激光推进机理进行深入的研究。而通过研究其在不同大气条件下的流场特征以及演化过程,有助于揭示其推力产生的机理,并进一步对推力器构形的设计提供帮助。本文针对大气吸气模式激光推进原理,使用高温平衡气体模型对吸气式激光推力器在连续流情况下的流场情况进行了模拟,得到了等离子体流场的演化过程以及推力器所受推力随时间的演化曲线,计算得到的冲量耦合系数与文献的实验数据符合得较好。同时,本文基于Bird的直接模拟Monte Carlo方法(DSMC)标准程序,编写了一套并行化的三维DSMC程序,对稀薄流情况下的激光推力器冷流场进行了数值模拟,得到了推力器冷流场的流体力学参数的分布图,为下一步进行工质喷射模拟以及耦合计算打下基础。

关键词：激光推进数值模拟等离子体流场连续流稀薄流