《近空間飛行器跨流域複雜非平衡繞流問題的模擬研究》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由李志輝擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：近空間飛行器跨流域複雜非平衡繞流問題的模擬研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：李志輝
- 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
如何準確模擬近空間跨流區飛行所遇到的高溫稀薄氣體、非平衡和粘性干擾及耦合作用問題，一直是流體力學前沿與挑戰。本項目旨在過去開展稀薄流到連續流跨尺度統一算法基礎上，嘗試解決近空間飛行器跨大氣層飛行面臨的上述關鍵基礎科學問題。擬從Boltzmann方程碰撞鬆弛間隔理論出發，提出描述混合氣體各組元流動輸運與內能鬆弛、高溫非平衡變化特徵各流域統一的介觀分子速度分布函式方程；研製可用於分子能級與速度空間離散降維的間斷縱坐標法與巨觀參數離散數值積分方法，發展直接求解混合氣體各組元、非平衡各能級狀態下分子速度分布函式耦合疊代鬆弛格式與氣體運動論邊界條件數值方法；建立可靠模擬稀薄流到連續流跨流域含內能激發、熱力學非平衡真實氣體效應複雜繞流氣體運動論統一算法與大規模並行計算技術。依託高超聲速低密度風洞與N-S/DSMC耦合算法，開展計算與實驗驗證結合，剖析近空間飛行環境高超聲速複雜流動機理及氣動力/熱特性。
結題摘要
如何從Boltzmann方程碰撞積分物理分析與可計算建模出發，發展適於近空間飛行環境跨流域複雜非平衡繞流問題模擬的基礎理論統一模型算法與高效並行計算實現，及其與複雜飛行器高溫稀薄氣體非平衡流DSMC方法、近連續滑移流N-S解算器耦合模擬技術、低密度風洞實驗驗證結合，致力近空間高超聲速飛行高溫稀薄氣體、非平衡粘性干擾複雜流動機理與空氣動力特性套用研究，成為了本重大研究計畫重點支持項目的核心內容研究方向。項目執行四年，研究提出了適於各流域統一的混合氣體Boltzmann模型方程數值求解格式，從計及轉動自由度鬆弛變化特性Rykov模型出發，引入轉動慣量描述氣體分子自旋運動，構建了適於雙原子氣體考慮轉動非平衡效應各流域統一Boltzmann模型方程，運用所發展離散速度坐標法，構造直接求解能量約化速度分布函式氣體動理論耦合疊代數值格式，提出了從稀薄氣體自由分子流到連續流考慮熱力學轉動非平衡鬆弛效應Boltzmann模型方程統一算法數學模型。通過對高低不同馬赫數、近地空間飛行環境跨流區不同高度某返回式衛星球錐體、翼身組合外形與返回艙等複雜飛行器繞流模擬，建立了求解Boltzmann模型方程模擬跨流域複雜高超聲速氣動力/熱繞流問題統一計算理論與方法套用研究平台。從理論與數值兩方面研究證明了基於微觀粒子隨機統計模擬DSMC方法與直接求解Boltzmann模型方程統一算法在描述Boltzmann方程極限意義下收斂一致性。建立了連續能量模式和考慮量子效應間斷能量模式DSMC碰撞傳能模型，發展適於近連續過渡流區高超聲速繞流問題預測分析N-S與DSMC耦合模擬技術和低密度風洞跨流區氣動力試驗模擬準則，完成了適於低密度風洞40-90km縱向氣動力測量的三桿小尺寸小量程天平結構最佳化設計。通過幾種空氣動力學研究手段初步比較驗證，為多類再入飛行器近空間飛行環境過渡流區高超聲速飛行繞流提供不同壁溫條件下的氣動特性，產生較好工程套用成效。首次計算揭示天宮飛行器低軌道空間過渡帶氣動力係數隨高度變化幅度達10%-48%，解決了大型太空飛行器低軌道飛行曾用固定阻力係數2.2變與不變爭論已久的問題，為天宮飛行器精密軌控保障提供重要指導作用。已在國際SCI雜誌發表論文12篇、EI及國核心心期刊發表論文20餘篇，被評價提出求解玻爾茲曼模型方程統一算法與多區域耦合一體化計算技術，屬航天領域最富吸引力有重大意義的研究。
