高精度BGK格式與高超聲速飛行器氣動力/熱研究

《高精度BGK格式與高超聲速飛行器氣動力/熱研究》是依託清華大學，由李啟兵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高精度BGK格式與高超聲速飛行器氣動力/熱研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李啟兵
• 項目類別：面上項目

項目摘要

拓展近年來發展起來的一種基於微觀氣體動理論的計算流體力學技術－高階精度BGK格式，並套用到高超聲速飛行器的氣動力和氣動熱的數值模擬研究。具體包括：建立適合高超聲速飛行器複雜格線上的高精度BGK格式；分析影響高超聲速鈍體駐點熱流數值預測精度的主要因素；研究高超聲速飛行器面臨的層流向湍流的by-pass轉捩機理，為高超聲速飛行器設計提供有效的理論依據和計算手段。

結題摘要

高精度數值格式和可壓縮湍流是高超聲速飛行器氣動力/熱準確預測面臨的兩個關鍵問題。本課題從介觀氣體動理論出發，研究了離散空間物理模型對數值格式的重要意義，改進和完善了高精度格式，對典型高速湍流進行了數值模擬，發展了湍流模擬的新方法。 發展了適合三維結構格線上高精度氣體動理學格式（HGKS），並研究了格式多維特性對精度的影響。改進了流場重構方法，有效減少了計算量，並提高了格式的解析度。結合通量重構方法（CPR），發展了適合二維非結構格線上的高精度氣體動理學格式（GKS-CPR）。發展了時間隱式氣體動理學格式（GMRES-GKS），有效提高了格式在高超聲速問題中的計算效率和數值穩健性。 利用氣體動理學格式對三種典型可壓縮湍流，各向同性衰減湍流、槽道湍流和快速畸變湍流進行了直接數值模擬。獲得的流場結構和統計量與已有研究符合得很好。在快速畸變湍流中，發現變形主導流動中壓縮性修正與平均流場馬赫數相關，有望為可壓縮湍流模型的修正提供指導。 基於拓展的BGK方程將氣體動理學格式與多種常用湍流/轉捩模型進行了結合，發展了適合高雷諾數工程湍流模擬GKS-RANS方法，並在多種高速流動中得到成功檢驗。在此基礎上，利用離散空間直接建模的思想，初步提出了能自動適應不同格線尺度的多尺度湍流模擬方法。 與傳統直接基於巨觀方程的方法不同，從氣體動理論出發發展新型數值格式，開展湍流研究，創新性很強，難度很大。本項目研究工作展示了該方向的良好前景，相關研究成果有望為高速飛行器氣動特性的高效精細預測提供有力支撐。