《高超聲速滑移流機理微觀數值模擬研究》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面上項目。
基本介紹
- 中文名：高超聲速滑移流機理微觀數值模擬研究
- 項目類別：面上項目
- 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,結題摘要,
中文摘要
高超聲速滑移流動機理是臨近空間飛行器氣動特性研究中亟待解決的重要基礎性問題，它與氣體分子在壁面處的運動狀態密切相關。為深入研究稀薄滑移流動機理，本項目針對高空稀薄、略稀薄區域高超聲速飛行器的壁面滑移流，採用分子動力學（MD）方法與微觀實驗相結合，探索氣體的壁面滑移流動機理。主要研究內容包括：氣體分子在壁面附近的運動特性分析，氣體分子在壁面的動量適應係數及其影響因素，滑移效應與壁面摩阻\熱流的聯繫，研究壁面納米構型對滑移效應的影響。同時，將數值模擬的結果與國內外同類實驗進行比較驗證。通過上述研究深入理解滑移流動機理，為滑移流動條件下的巨觀流場數值模擬和工程計算中的壁面滑移參數確定和係數取值提供指導和參考。
結題摘要
近年來，隨著航天、微納機電系統以及真空技術的迅猛發展，有關稀薄氣體動力學的一些基礎性問題越來越受到人們的關注。其中，我們對氣體與表面相互作用以及近壁面區域流動規律的認識還很不充分，而了解其中的機理，對航天飛行器和微納米元器件的設計及製造都有著非常重要的意義。本文針對微納尺度氣體流動和氣體分子在表面的散射分別建立了合理的分子動力學模擬方法，從微觀的分子層面對稀薄氣體流動機理和氣體與表面相互作用機理展開研究，分析了壁面效應、溫度效應及努森數對流動的影響規律；計算了不同條件下，氣體分子對光滑和粗糙表面的切向動量適應係數（TMAC）、法向動量適應係數（NMAC）及能量適應係數（EAC），並對氣體分子在表面的散射特性及能量交換規律進行了定量分析。 項目系統而深入地研究了納米通道內稀薄氣體流動機理，著重對近壁面區域的氣體流動規律進行了分析，發現了該區域的流動特性僅與氣體- 表面相互作用性相關，流動相似性規律在該區域內失效，在納米尺度氣體流動中應將壁面作用力範圍（1nm）作為一個獨立特徵參數加以考慮；發展了兩種針對納米尺度氣體流動的切向動量適應係數計算方法，這兩種方法分別從巨觀和微觀角度出發，互為補充，為研究納米通道中氣體分子對壁面的切向動量適應規律提供了強有力的工具；將通道內氣體分子按法向速度方向進行分類，得到了分類後的兩種氣體分子在流場中的速度分布，首次發現納米通道內的氣體剪下流動可以分解為兩個獨立流動的規律，該發現直接證實了納米通道內的氣體流動非平衡效應的存在；建立了氣體分子在表面上散射的分子動力學模擬方法，並採用速度採樣方法將巨觀的來流條件和微觀的氣體分子入射速度聯繫起來，解決了高速條件下氣體分子對表面適應係數的計算問題。該方法擴展性強、計算量小，能夠計算複雜情況下氣體分子對表面的適應係數；定量分析了氣體分子與表面的動量和能量交換機理以及氣體分子速度分量之間的能量轉移規律，指出了傳統散射核模型的局限性，為構建更加符合物理實際的散射核模型打下了堅實的基礎。
