考慮高溫非平衡效應的滑移流氣動熱並行計算研究

《考慮高溫非平衡效應的滑移流氣動熱並行計算研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由李樺擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：考慮高溫非平衡效應的滑移流氣動熱並行計算研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：李樺
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

近空間飛行器的研究涉有國家安全，具有極為重要的戰略意義。飛行器在高空以高馬赫飛行使周圍空氣急劇升高，從而產生氣動加熱，空氣發生離解、電離和多個能態激發的高溫非平衡效應，在高空條件下空氣密度降低，還會出現稀薄氣體效應，多種效應的耦合作用包含複雜的機理，會對飛行器的氣動熱/力特性產生較大差異，有必要進行深入研究。本項目針對上述問題和需求，耦合考慮高溫非平衡效應和稀薄氣體效應的影響，分析近空間飛行器高空高馬赫數條件下稀薄過渡區氣動加熱機理。根據稀薄過渡區流動的特點，發展考慮高溫非平衡效應的滑移流氣動熱數值模擬方法；針對複雜效應耦合計算所引起的計算量急劇增加，發展大規模並行算法，以提高計算效率。進行飛行器複雜流場的整體計算分析和熱環境預測，為近空間飛行器熱防護和總體設計提供技術指導和參考。

結題摘要

近空間飛行器在高空高速長時間飛行，將會遭遇高溫非平衡、稀薄滑移等複雜效應，導致氣動熱預測出現一系列難點問題。本課題採用CFD技術對高超聲速氣動熱數值計算影響因素、滑移效應、高溫非平衡效應及並行算法開展了深入研究。考慮量熱完全氣體條件、高溫熱化學非平衡條件和稀薄滑移條件建立了數值模擬方法，基於訊息傳遞庫，發展了相應的高超聲速氣動熱並行計算方法，針對典型外形和飛行條件，開展了氣動熱並行計算研究。主要內容包括：1、開展了格式及限制器套用對比分析；建立了量熱完全氣體模型的氣動熱數值模擬方法，對氣動熱數值模擬中的格線因素和收斂性進行了深入研究。2、建立了高溫熱化學非平衡條件下的氣動熱數值模擬方法，分析了熱化學非平衡效應對流場結構、溫度場及熱流的影響。3、採用NS方程添加滑移條件的方式，建立了高超聲速滑移流氣動熱數值模擬方法，對高空稀薄滑移區氣動熱開展了計算分析。4、基於MPI，發展了氣動熱並行計算方法，在PC機群式系統和大規模集群並行系統，進行了大規模並行計算分析，為工程複雜外形套用計算奠定了基礎。5、建立了耦合高溫非平衡和滑移效應的氣動熱並行數值模擬方法，對某空天飛行，60km～90km的高度，開展了Ma10、20的氣動熱計算研究，分析了不同高度和馬赫數條件下，高溫非平衡、滑移流單一及其耦合作用對氣動熱影響的規律。通過課題開展的相關研究，出版專著1部，軟體著作權4項，軍隊科技進步二等獎1項，支撐2名博士學位論文工作，畢業碩士2名，建立了耦合複雜效應的氣動熱並行計算方法，能夠為近空間飛行器高空高馬赫數飛行的氣動熱預測提供支撐，所開展氣動熱計算分析，為高超聲速飛行器外形結構設計提供參考。