低速二维流动的粒子仿真研究

本文运用信息保存法对低速二维的流动现象进行模拟，考察了低速条件下的有限平板绕流以及微槽道气体流动问题。研究表明：在对低速流动的模拟过程中，运用IP法在能够获得较好的结果的同时，具有比DSMC方法更高的计算效率。     

无限展长后掠翼边界层定常横流不稳定转捩分析

采用γ-Re_θt横流转捩拓展模型对NLF （2）-0415无限展长后掠机翼进行数值模拟,重点分析来流雷诺数、机翼表面粗糙度及后掠角对边界层横流不稳定性的影响.研究发现γ-Re_θt横流转捩拓展模型能够准确预测边界层定常横流不稳定转捩,计算结果与试验数据吻合较好.结果表明来流雷诺数越大、机翼表面越粗糙,横流转捩位置越靠前;随着机翼后掠角的增加,转捩位置先前移随后逐渐靠后.     

稀薄气体动力学矩方法研究综述

临近空间位于航天器入轨与返回的必经区域, 也是临近空间高超声速飞行器长航时飞行空域, 空间环境的特殊性决定了飞行器在穿越时必须考虑稀薄大气环境对飞行器气动力防隔热通讯及控制的影响.Boltzmann方程作为描述气体分子速度分布函数演化规律的微分-积分形式, 在一定条件下能够描述从自由分子流到连续流全流域流动现象.作为Boltzmann方程的宏观表达形式, 矩方程这一经典流体力学方程形式涵盖了Euler方程N-S方程Burnett方程super-Burnett方程及近年来发展的广义流体力学方程——非线性本构关系模型等.由于成熟的CFD数值计算理论及有限矩方程较高的计算效率, 滑移过渡流矩方法相比粒子仿真与Boltzmann模型方程方法具有十分显著的优势和巨大的工程应用潜力.因此, 对近年来传统及新型矩方法研究所取得的进展进行归纳总结, 并针对关键科学问题开展理论与数值计算方法研究, 具有十分重要的理论与工程应用价值.      

尖锐前缘气动加热机理与激波脱体距离研究

针对尖锐前缘所处的气动环境,分析了由于前缘尖化所带来的稀薄效应影响。应用理论方法推导了尖锐前缘驻点气动热的计算方法和计算公式,并结合CFD方法、DSMC方法和Fay-Riddel工程方法对其前缘钝头的流场、驻点热流进行了计算和对比分析。计算结果表明,由于前缘的尖化使得稀薄气体效应提前出现,从而影响到前缘的激波厚度、激波形状和激波脱体距离等流动现象,导致激波结构复杂化,可能会对进气道唇口的斜激波带来不利的影响。另外稀薄效应的影响降低了驻点热流,缓解了尖化前缘的气动热环境。     

气体化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法研究

发展了平衡粒子模拟方法(EPSM)，建立了与高温气体化学反应动力学理论相匹配的：EPSM耦合模型，并通过混合参数进行流区的自动识别，将：EPSM方法与蒙特卡罗直接模拟方法(OSMC)结合，构造了可模拟化学反应流动的DSMC／EPSM混合算法。应用该算法对汲及化学反应的二维高超音速竖板绕流流场进行模拟，将结果与DSMC方法的结果进行比较，验证了新算法对求解化学反应流动的可行性。将混合算法的计算效率与DSMC方法的计算效率进行比较，发现混合算法能够大大提高计算效率。     

Rayleigh-Benard系统不稳定性的DSMC方法研究

本文应用DSMC方法初步研究了稀薄气体状态下Rayleigh-Benard系统的不稳定性特征，着重考察了气体密度梯度对Rayleihg-Benard系统不稳定性特征的影响。研究表明DSMC方法能够成功地模拟Rayleigh-Benard系统内涡的运动，得到了与外力方向相反的密度梯度会增加Rayleigh-Benard系统流动不稳定性的结果。     

基于非线性耦合本构关系模型的尖化前缘气动加热影响研究

结合数值模拟与风洞试验技术,在高超声速连续/稀薄滑移流条件下对尖化前缘这一典型构型的气动加热影响开展深入研究.在三维有限体积框架下,应用非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations, NCCR)模型对试验工况下的尖化前缘外形开展数值计算,检验NCCR模型在尖化前缘构型中准确描述局部稀薄非平衡流动和物面气动热的性能.数值结果与实验数据对比表明,在等效高度33 km的风洞试验条件下, NCCR模型计算得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差为1.81%, Fay-Riddell公式和纳维-斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差均在5%以内,物面其他位置的壁面热流系数计算值与实验值偏差均在10%以内,证明此时飞行器尖化前缘区域局部稀薄气体效应对气动加热影响程度较弱;在等效高度60 km时,飞行器尖化前缘区域附近的局部稀薄气体效应对气动加热的影响较为明显, NS方程计算的驻点热流系数偏差为33.31%, Fay-Riddell公式计算驻点热流系数同实验值偏差为29.5%, NCCR模型计算的驻点热流...     

开式空腔流动的蒙特卡罗直接模拟

蒙特卡罗直接模拟(Direct Simulation Monte-Carlo)方法是一种基于分子动力论的随机性数值模拟方法，它在各类稀薄气体流动模拟中得到了广泛应用。本文首先讨论了DSMC方法的基本原理，引用文献结果论述了DSMC方法与Boltzmann方程的内在一致性，采用DSMC方法从分子运动论层次对过渡区开式空腔流动进行精细模拟，再现空腔内旋涡的形成及发展过程，了解复杂流场的流场特性。模拟和分析了空腔的形状(展弦比)、壁温以及Knudsen数(稀薄性)等因素对空腔内流动和旋涡结构的影响。研究表明，空腔的展弦比、壁面温度以及流动Knudsen数等因素对空腔内旋涡的大小、形状、位置、个数都有极大的影响，应用DSMC方法可以真实再现稀薄条件下的开式空腔流动。     

DSMC／EPSM混合算法研究

将EPSM算法与DSMC方法结合，构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC/EPSM混合算法。运用混合算法模拟了马赫数等于5时超音速竖板绕流及马赫数等于4时超音速平板绕流，并将结果与DSMC算法的结果进行比较，证明了DSMC／EPSM混合算法的有效性，同时将EPSM算法与DSMC算法的效率进行了比较。     

微喷管流动粒子仿真与Navier-Stokes数值模拟比较研究

运用DSMC（Direct Simulation Monte—Carlo）方法从分子运动论层次对大膨胀比、喉部转角为尖角的微喷管流动现象进行模拟,考察来流总压对喷管性能的影响,并与Navier—Stokes方程运算结果、实验结果进行比较。研究表明：在模拟微型喷管的流动现象时,DSMC方法比N—S方程更加适用。