气体运动论统一算法在跨流域转动非平衡效应模拟中的应用

从考虑转动松弛变化特性的Rykov模型出发,基于Boltzmann模型方程求解跨流域气体运动论统一算法原理与计算规则,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,研究考虑转动非平衡影响的Boltzmann模型方程数值求解方法.通过对氮气激波结构、二维钝头体和三维尖双锥跨流域绕流的模拟分析,验证该算法的跨流域一致适用性.     

Gas-kinetic numerical schemes for one- and two-dimensional inner flows

Several kinds of explicit and implicit finite-difference schemes directly solving the discretized velocity distribution functions are designed with precision of different orders by analyzing the inner characteristics of the gas-kinetic numerical algorithm for Boltzmann model equation. The peculiar flow phenomena and mechanism from various flow regimes are revealed in the numerical simulations of the unsteady Sod shock-tube problems and the two-dimensional channel flows with different Knudsen numbers. The numerical remainder-effects of the difference schemes are investigated aad analyzed based on the computed results. The ways of improving the computational efficiency of the gaskinetic numerical method and the computing principles of difference discretization are discussed.     

跨流域高超声速绕流环境Boltzmann模型方程统一算法研究

如何准确可靠地模拟从外层空间高稀薄流到近地面连续流的航天器高超声速绕流环境与复杂流动变化机理是流体物理的前沿基础科学问题. 基于对Boltzmann方程碰撞积分的物理分析与可计算建模, 确立了可描述自由分子流到连续流区各流域不同马赫数复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程, 发展了适于高、低不同马赫数绕流问题的离散速度坐标法和直接求解分子速度分布函数演化更新的气体动理论数值格式, 建立了模拟复杂飞行器跨流域高超声速飞行热环境绕流问题的气体动理论统一算法. 对稀薄流到连续流不同Knudsen数0.002 ≤Kn_∞ ≤1.618、不同马赫数下可重复使用卫星体再入过程(110–70 km)中高超声速绕流问题进行算法验证分析, 计算结果与典型文献的Monte Carlo直接模拟值及相关理论分析符合得较好. 研究揭示了飞行器跨流域不同高度高超声速复杂流动机理、绕流现象与气动力/热变化规律, 提出了一个通过数值求解介观Boltzmann模型方程, 可靠模拟高稀薄自由分子流到连续流跨流域高超声速气动力/热绕流特性统一算法.     

一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析

临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大, 在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象, 流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关. 通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼?恩斯科近似解, 构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程, 并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性, 证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性, 给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系, 基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式. 在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动, 并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析, 结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置, 尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好, 验证了新模型的有效性和可靠性, 同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响.      

石墨烯尺寸和分布对石墨烯/铝基复合材料裂纹扩展的影响

铝基复合材料由于其质轻高强的特点,是机械工业和航空航天工程中最重要的材料之一.而石墨烯因其优异力学性能和高比表面积等特点,被作为金属基复合材料的理想增强相.然而,目前石墨烯在铝基复合材料中对裂纹扩展影响的机制尚不清晰,制约了其在铝基复合材料的设计和应用.本文采用分子动力学模拟方法研究了石墨烯的尺寸和分布对铝基复合材料中裂纹扩展的影响.研究结果表明,当石墨烯尺寸l≤3.35 nm时,在拉伸过程中产生的亚裂纹促进了裂纹扩展。值得注意的是,这种促进作用随着石墨烯与裂纹的距离增大而减弱.当石墨烯尺寸l> 3.35 nm时,石墨烯阻碍了裂纹的扩展和亚裂纹位错的滑移.此外,石墨烯的分布和角度可以有效地改变裂纹扩展路径.本研究的结果有助于理解石墨烯在其铝基复合材料中的破坏失效的作用,为设计高性能石墨烯/铝基复合材料提供一定参考依据.     

基于气体运动论的差分算法对管道流动数值研究

从分析研究求解Boltzmann模型方程的气体运动论数值计算方法特点出发,设计了几种求解离散速度分布函数不同精度的差分显式与隐式气体运动论数值格式.通过对不同Knudsen数下一维非定常激波管内流动、二维槽道流问题计算研究与应用测试,分析了不同差分格式数值离散效应对计算结果的影响,研究讨论了提高气体运动论数值算法计算效率的途径和差分离散处理所适用的计算准则等问题.     

六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07～3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.