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Boltzmann方程可计算建模气体动理论统一算法与跨流域空气动力学应用研究

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Boltzmann方程可计算建模气体动理论统一算法与跨流域空气动力学...

第九届全国流体力学学术会议

作者：李志辉吴俊林李绪国蒋新宇张涵信中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所国家计算流体力学实验室

随着高性能计算机与流体力学计算技术进步,是否能发展可靠模拟航天器再入各流域复杂高超声速绕流问题一体化数值计算方法?是航天器再入气动设计与调姿配平关键基础。为研究各流域气动特征,过去近二十年来,报告人基于对连接微观分子动力... 详细信息

随着高性能计算机与流体力学计算技术进步,是否能发展可靠模拟航天器再入各流域复杂高超声速绕流问题一体化数值计算方法?是航天器再入气动设计与调姿配平关键基础。为研究各流域气动特征,过去近二十年来,报告人基于对连接微观分子动力学与宏观流体力学的介观Boltzmann(玻尔兹曼)方程碰撞积分物理分析与可计算建模,提出了直接求解Boltzmann(玻尔兹曼)模型方程气体动理论统一算法(GKUA)。本文以此为基础,针对大型航天器复杂外形绕流多流区共存与精细描述的困难,使用气体分子碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数,将各流域流态控制参数、宏观流动物理量、气体粘性输运特性、热力学效应及气体分子相互作用规则和分子模型等用统一的表达式联系起来,确立描述航天器跨越飞行各流域复杂高超声速流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程。研制适于跨流域高、低不同马赫数绕流问题模拟的离散速度坐标法与宏观流动参数动态确定离散速度数值积分法。采用Crank-Nicolson隐式方法与混合通量NND差分技术,构造直接求解Boltzmann模型方程LU-SGS隐式格式与网格中心型有限体积方法,研究设计了一种基于块与块之间数据传递的多块对接网格生成方法,克服了显式格式、单块网格在处理连续、近连续流区复杂外形绕流时计算效率较低的问题。通过将隐式与显式格式用于近连续流区、连续流区计算检验与对比分析,两种途径得到的结果完全一致,且与连续流理论解经典数据吻合较好,隐式格式每时间步所需CPU时间约为显式格式的一半,表明本文算法模型具有较高计算效率与强劲收敛特性。通过发展基于物理空间与速度空间两相六维空间区域分解并行计算策略,基于小、中、大规模64024、1024000、49500625CPU及众核异构计算机50015000CPU进程并行算法测试,获得拟线性加速与至少90%以上并行效率,研制了求解Boltzmann模型方程可扩展大规模并行算法与再入各流域复杂气动力/热问题并行计算软件。通过对全飞行流域不同Knudsen数、不同马赫数可重复使用卫星体、飞船返回舱等再入气动力/热绕流问题大规模并行计算与算法验证,证实Boltzmann方程可计算建模统一算法在求解航天器往返大气层各流域复杂高超声速气动力/热绕流问题的精度与可靠性,揭示高稀薄流到连续流不同流区、不同马赫数复杂绕流现象与流动变化机理。

关键词： Boltzmann方程可计算建模跨流域空气动力学统一算法高性能并行计算

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航天器返回地球的气动特性综述

航空学报 2015年第1期36卷 24-38页

作者：方方周璐李志辉中国空间技术研究院载人航天总体部北京100094 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室北京100094 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

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的... 详细信息

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。

关键词：航天器再入跨流域空气动力学再入减速飞行控制配平攻角

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大型航天器无控飞行轨道衰降预报初步研究

飞行力学 2020年第6期38卷 70-76页

作者：高兴龙陈钦李志辉丁娣中国空气动力研究与发展中心空气动力国家重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所四川绵阳621000 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 国家计算流体力学实验室北京100191 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所四川绵阳621000

针对寿命末期大型航天器无控再入大气层前的轨道衰降问题,提出一种经卡尔曼滤波误差分析与参数辨识气动一体化计算改进的轨道摄动模型。基于参数辨识方法生成两行根数(TLE)格式的初始轨道元参数;考虑航天器在低轨道大气环境受到的稀薄... 详细信息

针对寿命末期大型航天器无控再入大气层前的轨道衰降问题,提出一种经卡尔曼滤波误差分析与参数辨识气动一体化计算改进的轨道摄动模型。基于参数辨识方法生成两行根数(TLE)格式的初始轨道元参数;考虑航天器在低轨道大气环境受到的稀薄跨流域空气动力作用,采用气动特性当地化统一算法计算目标航天器不同轨道高度的气动阻力系数,并解算相应轨道高度下简化根数摄动模型(SGP4)中的未知阻力项;最后基于无损卡尔曼滤波(UKF)方法和外测轨道星历数据对TLE+SGP4模型进行中长期轨道摄动外推计算,分别针对350~300 km和300~150 km高度范围内的大型航天器轨道衰降演化进行跟踪仿真,预报趋势与目标航天器外测轨道星历观测数据结果相符。研究证实寿命末期大型航天器无控再入气动一体化算法结合轨道摄动模型的改进发展,能大幅提高中长期轨道预报模拟能力,推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。

关键词：无控航天器轨道预报跨流域空气动力学无损卡尔曼滤波 SGP4

跨流域高超声速气动环境——结构动态热力耦合一体化算法与航天器再入解体模拟

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跨流域高超声速气动环境——结构动态热力耦合一体化算法与航天器...

第九届全国流体力学学术会议

作者：李志辉彭傲平马强唐小伟李中华中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所国家计算流体力学实验室

如何准确可靠求解大型航天器寿命末期从外层空间无控陨落再入过程强气动力热环境致金属桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器任务完成后末期再入坠毁飞行航迹预报研制关键。本文介绍如何从Boltzmann方程碰撞积分物理分析与... 详细信息

如何准确可靠求解大型航天器寿命末期从外层空间无控陨落再入过程强气动力热环境致金属桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器任务完成后末期再入坠毁飞行航迹预报研制关键。本文介绍如何从Boltzmann方程碰撞积分物理分析与模型化研究出发,建立非平衡输运气体动理论统一算法及其与结构热力响应有限元算法耦合模拟技术,在无控陨落航天器再入解体可计算建模研究进展。在求解Boltzmann模型方程统一算法(GKUA)基础上,通过对转动能松弛Rykov模型研究,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程。发展适于跨流域高温气体动力学问题模拟的离散速度坐标法,构造直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,建立求解Boltzmann模型方程高性能并行算法与适于航天器陨落解体跨流域多体绕流问题计算平台。通过对不同Knudsen数类天宫飞行器器两舱体跨流域高超声速绕流问题大规模并行计算与稀薄流DSMC、过渡区N-S/DSMC耦合算法、近连续流区滑移N-S解算器及风洞实验验证,证实GKUA求解大型航天器陨落各流域及多体气动力/热问题准确可靠性。针对无控航天器陨落问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立适于航天器再入强气动力热环境致结构变形/失效动态热力响应隐式有限元算法。结合发展复杂结构航天器高超声速再入非平衡流DSMC-NS方程耦合模拟、气动热环境与复合材料热解烧蚀计算手段,建立适于大型航天器寿命末期陨落再入各流域气动力热一体化计算与再入烧蚀/结构变形失效/解体预报分析模拟系统。

关键词：航天器再入解体跨流域空气动力学统一算法结构变形动态热力耦合模拟

回收类航天器再入跨流域非平衡气动力热绕流问题气体动理论统一算法

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回收类航天器再入跨流域非平衡气动力热绕流问题气体动理论统一算...

第十二届全国流体力学学术会议

作者：李志辉彭傲平吴俊林蒋新宇张子彬李明中国空气动力研究与发展中心

针对回收类航天器(返回舱)再入过程所遇跨流域多尺度非平衡绕流问题,揭示了返回舱再入跨流域复杂高超声速流动变化规律,简述了跨流域空气动力学几种模拟手段的适应性特点与展望,基于Boltzman方程碰撞积分物理分析与可计算建模,构造了考... 详细信息

针对回收类航天器(返回舱)再入过程所遇跨流域多尺度非平衡绕流问题,揭示了返回舱再入跨流域复杂高超声速流动变化规律,简述了跨流域空气动力学几种模拟手段的适应性特点与展望,基于Boltzman方程碰撞积分物理分析与可计算建模,构造了考虑完全气体、转动非平衡、含振动能激发热力学非平衡效应各流域统一Boltzmann模型方程,建立了返回舱再入气动力热绕流问题气体动理论统一算法。结合DSMC方法、近连续过渡流区N-S/DSMC耦合算法、经滑移边界流理论修正的N-S方程解算器等方法间验证补充,建立了求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法(GKUA)适于返回舱再入从外层空间自由分子流到近地面连续流跨流域空气动力学一体化模拟平台。将此平台用于再入H=110km～30km各流域球体、高超声速尖前缘中空柱裙、返回舱稀薄过渡流以至近连续流区气动力/热与姿态配平绕流问题计算与试验分析比较,证实统一算法在高稀薄流区,与DSMC吻合很好;在连续流区,与(滑移)N-S解算器相一致;在中间过渡带,与N-S/DSMC耦合算法相容;研究体会到,从介观层次Boltzmann方程可计算建模发展气体动理论统一算法用于计算返回舱再入气动力/热问题,具有全飞行流域计算一致收敛性。

关键词：回收类航天器跨流域空气动力学非平衡气动力热气体动理论统一算法

间断量子非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法与新一代飞船再入跨流域气动力热模拟

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间断量子非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法与新一代飞船再入...

第十一届全国流体力学学术会议

作者：李志辉吴俊林彭傲平李凡空气动力前沿技术研究中心国家计算流体力学实验室中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

随着国家超级计算机与统计物理复杂系统流体力学计算技术进步,发展可靠模拟新一代载人飞船返回舱再入各流域空气动力学绕流问题超大规模并行算法,是载人航天飞行器设计与调姿配平关键基础。本文在前期开展Boltzmann(玻尔兹曼)方程碰撞... 详细信息

随着国家超级计算机与统计物理复杂系统流体力学计算技术进步,发展可靠模拟新一代载人飞船返回舱再入各流域空气动力学绕流问题超大规模并行算法,是载人航天飞行器设计与调姿配平关键基础。本文在前期开展Boltzmann(玻尔兹曼)方程碰撞积分物理分析与可计算建模气体动理论统一算法框架下,研究引入内自由度平动、转动、振动松弛模型,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,基于能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,推导描述多原子分子弹性与非弹性碰撞松弛变化的双时间尺度碰撞频率表达式,将Boltzmann方程碰撞积分模型化为弹性与非弹性碰撞项,非弹性碰撞项按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛和平动-转动-振动能松弛,构造了含间断量子效应振动能激发的各流域统一Boltzmann模型方程,并经归一性、守恒性和H定理证明。研制适于任意马赫数高超声速流动模拟满足Boltzmann方程守恒条件的离散速度坐标法与宏观流动量动态确定离散速度数值积分规则。应用拓展计算流体力学有限差分法LU-SGS隐式迭代原理,构造直接求解离散速度分布函数演化更新的气体动理论隐式并行数值格式;遵循物面质量流量通量守恒和分子平动能与内部能量平衡关系,发展计及热力学非平衡效应基于气体分子速度分布函数演化更新对高超声速流场边界与气面相互作用统一表述数学模型及数值处理方法,建立表征热力学非平衡效应Boltzmann模型方程求解新一代飞船返回舱再入各流域高超声速绕流问题气体动理论统一算法。发展基于物理空间与速度空间两相六维空间区域分解并行化计算策略,在小、中、大规模64～1024、1024～8000、4950～20625CPU及众核异构计算机500～45000处理器并行算法测试,获得拟线性加速与90%以上并行效率,通过对第一到第二宇宙速度高超声速非平衡圆柱绕流、多类飞船返回舱再入气动力/热问题大规模并行计算与算法验证,证实Boltzmann方程可计算建模气体动理论统一算法在求解回收类航天器如近地空间站、星际运输任务返回再入各流域高超声速气动力/热绕流问题的精度与可靠性,揭示高稀薄流到连续流复杂绕流现象与流动变化规律,可为新一代载人飞船返回舱再入跨流域气动设计提供新途径与应用研究平台。

关键词： Boltzmann方程间断量子非平衡效应可计算建模新一代飞船返回舱跨流域空气动力学气体动理论统一算法

大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用

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载人航天 2020年第4期26卷 403-417页

作者：李志辉彭傲平马强石卫波党雷宁梁杰蒋新宇唐小伟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 国家计算流力学实验室北京100191 四川大学数学学院成都610041

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(... 详细信息

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。

关键词：非常规再入落区数值预报板舱桁架结构大型航天器跨流域空气动力学 Boltzmann模型方程气体动理论统一算法结构响应变形/毁坏有限元算法