高超聲速飛行器多尺度多物理輸運問題的計算方法

《高超聲速飛行器多尺度多物理輸運問題的計算方法》是依託上海交通大學，由金石擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：高超聲速飛行器多尺度多物理輸運問題的計算方法
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：金石
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

對高超聲速飛行再入大氣過程中的多尺度多物理輸運問題我們將構造並研究新的高效率計算方法並構建新的計算平台。我們將從具體的實際流動問題中提煉共性數學問題，建立合適的多尺度多物理數學模型，提出具有漸進保持性質和保正性質的新kinetic算法，並大大提高直接Monte-Carlo （DSMC） 方法的效率。同時，我們將新的kinetic算法推廣到求解熱力學非平衡效應、熱化學非平衡效應和熱輻射效應的複雜流動問題中；從數值和試驗兩方面完成對發展的新kinetic算法校核與評價。我們預期將藉助於新算法所取得的成果，使我國太空飛行科學與工程計算的一些重要問題上的計算機數值模擬能力達到國際前沿水平。在這個領域中，我們的研究將為工程設計提供更加強大的仿真工具，從而獲得最佳的設計參數，使其有助於重大航空航天技術的開發。

結題摘要

高超聲速飛行器再入大氣層過程中存在的多物理、多尺度輸運問題，對指導飛行器工程設計和最佳化改進十分重要。本項目設計並研究的具有漸進保持性質和保正性質的新kinetic算法，在處理高超聲速多尺度流動、熱力學和熱化學非平衡效應的複雜流動問題中優勢明顯，為我國航空航天工程設計提供更加強大的仿真工具。本項目嚴格按照申請書的研究目標執行，圍繞主要內容展開研究工作，並取得可觀的研究成果。我們發展了基於AP格式的多尺度新kinetic算法，克服了因為Boltzmann碰撞項的複雜性使得Monte-Carlo加速變得十分困難的問題，重點解決了考慮多組分、分子內能、考慮化學反應對碰撞項的影響，並提出了適用於新Kinetic算法的高效並行和高效格線自適應技術。我們通過對比（高）超聲速風洞實驗結果，成功論證了新Kinetic算法在捕獲連續流區（高）超聲速流動結構、激波相互作用及結構，以及凹腔內複雜渦繫結構的精準性。本項目組還實現了新kinetic算法在若干航空航天領域高速氣動問題的推廣和套用，在航天院所項目的計算中，發展的新kinetic算法針對超聲速光學頭罩、飛彈側向噴流以及載入降落傘減速器的複雜外流場進行數值模擬，得到與DSMC算法一致吻合的結果但所消耗的計算資源遠小於傳統DSMC算法。本項目基本上完成了當時所提的所有研究目標，並在我國超聲速飛行器設計和預測等實際工程問題中發揮了重要作用，使我國太空飛行科學與工程計算的一些重要問題上的計算數值模擬能力達到國際前沿水平，使其有助於重大航空航天技術的開發。