基于气体动理学方法的高超声速支杆降热模拟

基于气体动理学方法(gas kinetic scheme,GKS)分别从单独流场和流固耦合两方面开展了针对支杆结构热防护系统的数值模拟研究。首先利用二维标准圆管模型验证算法在单独流场计算中的可靠性,然后通过比较不带支杆和带支杆情形下圆管外壁面的气动热特性及相应流场特征,分析得到支杆降热的有效性及其降热机理。接着在将GKS应用到流场/结构温度场耦合模拟并进行验证后,进一步分析流固耦合作用下的支杆降热性能,结果发现支杆的降热效果随着流固耦合时间的推进不断增强,从而有利于高超声速飞行器长时间巡航飞行。

统一气体动理学方法研究进展

在临近空间高超声速飞行器气动载荷、航天飞行器变轨/调姿、微尺度元器件传质/传热等科学和工程实践中,存在着大量的时序多流域(多尺度)流动问题以及位于单一流场中的复杂多流域问题(局部稀薄问题),对数值预测工作提出挑战.因此,近年来从介观气体动理学基础上发展出了一大类将连续流与稀薄流进行统一计算的高效数值方法,包括确定论形式的UGKS,GKUA和DUGKS方法,以及粒子形式的USP-BGK和UGKWP方法.文章围绕着确定论和统计粒子两类统一方法的最新研究进展进行回顾和分析,重点关注在每种方法中全流域统一性质的来源与实现方式、目前已取得的关键进展以及该方法的扩展性和应用价值.

基于DUGKS的槽道湍流大涡模拟研究

基于介观数值模拟方法的大涡模拟(large eddy simulation,LES)是研究湍流的重要手段之一.离散统一气体动理学方法(discrete unified gas kinetic scheme,DUGKS)是一种相对较新的介观方法,其作为湍流大涡模拟工具的研究还处于起步阶段.文章通过耦合标准离壁Smagorinsky亚格子应力模型和Musker壁面模型,实现了DUGKS-LES介观大涡模拟方法.推导了在DUGKS中实现大涡模拟所需的有效总应力和修正分布函数非平衡态的关系式;通过壁面函数逆求解壁面剪切应力时,设计了可以保证收敛性的快速牛顿迭代法,并利用逆问题的近似解进一步提高了迭代效率.最后,分别对摩擦雷诺数为180,395和950的槽道湍流进行大涡模拟,并与相关文献中介观大涡模拟方法的结果进行了比较.结果表明,DUGKS-LES方法在准确性上具有优势,以谱方法模拟结果为基准,流向速度、雷诺应力和脉动速度等湍流统计量的均方误差均可以控制在11%以内.在DUGKS框架下,与文献中利用自适应亚格子应力模型相比,文章结合Musker壁面模型的处理方法,可以得到更精确的流向速度和雷诺切应力.

指数型谐振管内非线性声场的模拟研究

采用气体动理学方法模拟研究五种不同驱动强度下,=0的圆直热声谐振管和=2 2的指数型热声谐振管内的非线性声场特征。研究发现:指数型管能抑制激波及声饱和现象,但管内会出现尖峰现象。尖峰处的压力波形发生了畸变;它们是非线性的能量传递与各种耗散的竞争过程中产生的不同形态的波特征;当活塞驱动位移幅值400μm时,指数型管内压力振幅增长速度明显下降。

两平板间两组分稀薄气体振荡传热的数值模拟

采用离散统一气体动理学方法(DUGKS)求解两组分气体McCormack模型,模拟下板温度周期波动激发的两平板间两组分稀薄气体流动与传热问题,分析系统稀薄参数、温度变化频率以及组分摩尔浓度对平板间流动与传热现象的影响。数值结果表明:两平板间气体流动与传热呈现周期变化,并且平板间存在最小局部温度的现象,其位置与系统稀薄程度呈正比,此外热渗透深度随着稀薄参数的减小而减小。热渗透深度随轻组分浓度的增大而先增大,在轻组分浓度为0.6左右达到最高值,最后减小并与单组分气体结果一致。