具有局部稀薄气体效应的高超声速尖锥气动加热特征研究

以微钝尖锥为飞行器前缘模型,采用基于分子运动论的DSMC方法模拟不同前缘曲率半径的尖锥在高超声速来流下的气动热环境,计算驻点热流率,并与Fay-Riddell公式和其他修正理论作对比,研究具有局部稀薄气体效应的高超声速尖锥气动加热特征及其变化规律.发现修正的Cheng参数适合作为工程上判断驻点区域稀薄气体效应影响大小的判据.

考虑气体稀薄效应修正Reynolds方程的新模型及其数值分析

硬盘中磁头和磁盘之间的气膜厚度已接近或小于分子平均自由路径,为了更精确地模拟气膜的压力分布,Reynolds方程必须要考虑气体稀薄效应的影响。基于硬盘中常用的修正Reynolds方程——FK模型,提出一种修正Reynolds方程的新模型,并且通过最小二乘有限差分法求解该Reynolds方程。分别利用FK模型和新模型,研究气膜数对承载力和压力中心的影响,并比较2种模型的计算时间。结果表明,2种模型所得的数值模拟结果具有很好的一致性,但新模型的计算效率高于FK模型。

富氧燃烧烟气中石灰石微粒团聚结构稀薄气体效应分析

针对富氧燃烧烟气中石灰石硫化产物层内的稀薄气体效应现象,在低CO2浓度低温(750℃)条件下,以平均粒径31.4 μm石灰石颗粒为样品,利用TGA、SEM、压汞仪等设备,采用精密探针进行局部破碎方法,获取石灰石颗粒内部微观结构,研究产物层内的稀薄气体效应及气态反应物的扩散规律.结果表明:石灰石颗粒由大量微粒团聚而成,微粒间孔隙尺寸分布在5～1 000 nm范围内,且＜50 nm的孔隙所占比例＞75％;理论分析可知,孔隙中稀薄气体效应随温度、压力会发生变化,随着压力增大,气体扩散状态会由自由分子流区向连续介质区过渡;计算得到SO2气体分子在石灰石直接硫化产物层内的扩散系数,不同分形维数的孔径对应不同的扩散系数在0.016 2～0.125 9 cm2/min之间.

尖化前缘局部稀薄气体效应对气动热影响研究

为了研究尖化前缘局部稀薄气体效应对气动热环境的影响,对飞行器尖化前缘外形进行测热试验,获得了3种小尺寸前缘半径尖化前缘中心线热流分布规律,同时采用高空稀薄过渡区的气动热环境计算方法开展局部稀薄气体效应的研究。研究结果表明,当飞行器高度增大或局部尺寸减小时会出现稀薄气体效应,需要采用桥函数进行稀薄过渡区的热环境预测,以便更加准确地评估稀薄气体效应对气动热环境的影响。

稀薄气体效应对常规布局导弹气动特性的影响

导弹气动特性是准确预测弹道的前提条件,也是衡量导弹射程的重要依据。在稀薄大气飞行环境下,连续介质假设的前提条件已不再成立,其对应的计算方法无法获得准确的气动参数。通过对常规布局导弹进行建模,利用基于介观的格子Boltzmann方法计算导弹在稀薄大气条件下的气动参数,并与连续介质假设条件下获得的气动参数进行对比。通过计算导弹的高空弹道,发现稀薄气体效应虽在一定程度上改变了导弹气动特性,但对准确预测高空弹道的影响很小。

气体稀薄效应对热流计算的影响

临近空间高超声速飞行器的研发越来越受到关注。周恒和张涵信在《中国科学》上的《空气动力学的新问题》一文中分析了在此情况下现有的空气动力学的不足,其中之一就是需要考虑流场中可能出现的局部稀薄气体效应,并且针对临近空间高超声速飞行器边界层进行了详细的分析。陈杰和赵磊在此基础上研究了强剪切下的气体稀薄效应,给出了判别气体稀薄效应的无量纲参数 Zh ,并提出对传统连续介质模型中的黏性系数基于Zh参数进行修正。本文将通过类似的研究方法,采用DSMC (Direct Simulation Monte Carlo)研究纯导热问题中的气体稀薄效应,通过对粒子速度分布函数的分析提出了相应的刻画气体稀薄效应的参数Zh T,获得了依赖参数Zh T的导热系数修正规律,并进一步将该修正规律纳入CFD (Computational Fluid Dynamics)计算,验证了该算法对圆柱绕流问题表面热流预测的精度。

MEMS中气体运动的若干微尺度效应

宏观流动到微流动不单是“量”的变化，而且有“质”的不同。在微流动中，由于微尺度效应，主导流动的作用力发生变化，惯性力不再占主导地位；在宏观尺度流动中可以忽略的表面效应和壁面滑移等现象，开始凸现出来，这就导致了微流动中出现了与宏观流动不同的现象和规律。本文研究微流动问题中的若干微尺度效应：包括微喷管中气体流动的特性、微槽道中的稀薄气体效应和分子泵内的流动问题。这些研究对于设计和开发新的微机械机电设备是非常重要的。

对陈杰和赵磊所写论文“高超声速流存在局部稀薄气体效应的一个判据及相应的流动特性”的评价

在我国研制近空间飞行器的过程中,计算空气动力学发挥了重要的作用.但同时也发现,与应用于航空领域的情况相比,有明显的不能令人满意的地方我本人和周恒同志共同分析了其原因,认为是相关的空气动力学本身有不足之处.随后,我们共同撰写了“空气动力学的新问题”一文,刊登在2015年的“中国科学”（中文版）上.文中列举了若干需要深入研究的科学问题.其中之一是：当流动的速度梯度和稀薄气体效应大到某种程度,

尖化前缘的稀薄气体化学非平衡流动和气动加热相似律研究

以近空间尖前缘高超声速巡航飞行器的研制为背景,作者在前一阶段采用模型理论分析方法,陆续研究了沿微钝前缘驻点线的化学非平衡流动和气动加热相似律,文章是上述研究的综合回顾和深化讨论.稀薄条件下,驻点附近流动和传热出现一系列与连续流动模型不同的新特征,超出了经典气动热预测理论的适用范围.作者建立了一个沿驻点线能量传递和转化的广义模型,并分别推导了具有实际物理意义的边界层外离解非平衡流动判据和边界层内复合非平衡流动判据.基于这些判据构建了预测非平衡流动驻点气动加热的桥函数,并讨论了稀薄非平衡真实气体流动和气动加热的相似律,发现新型近空间尖前缘飞行器遭遇的气动热环境不同于传统大钝头航天器再入问题,传统的天地换算相似准则将会失效.这些理论分析结果可为稀薄非平衡化学反应流及气动加热的实验和计算提供一个标模检验的手段.

高超声速流动多物理效应对美国航天飞机气动力影响研究的回顾

临近空间高超声速流动往往存在真实气体效应、稀薄气体效应和粘性干扰效应等多种复杂的物理、化学和流动现象。围绕高超声速绕流中多物理效应这一主题,对美国航天飞机高超声速气动力研究的工作按飞行前与飞行后两个阶段进行了回顾。在飞行前阶段,主要介绍了气动力外推参数的研究和不确定度研究的内容,确定了以第三粘性系数珔V'∞作为气动力特性外推参数,以及给出了气动力不确定的计算方法;而在飞行后阶段,主要介绍了飞行试验数据与预测数据的对比、纵向配平异常分析和外推方法,给出了初步的由风洞数据外推到飞行数据的外推方法,确认了真实气体效应对航天飞机气动特性影响,但是否对舵面效率产生影响没有达成一致的结论。而后,作者讨论了避免纵向配平异常的可能性、体襟翼效率数值计算与试验的差异、气动力不确定度研究和建立飞行试验/风洞试验/数值计算数据共享机制四个方面的问题。另外,早期的研究文献提到了航天飞机在再入过程中这些效应是同时存在的,在当时的研究条件下难以区分各自对气动力特性的影响,后来的研究文献也没有着力于研究其耦合影响效应对航天飞机气动力特性的影响,这为下一步研究再入飞行器高超声速绕流流动的多物理效应提供了指引。

微管道气体流动的蒙特卡洛直接模拟

采用蒙特卡洛直接模拟 (DSMC)方法 ,数值模拟了微管道中压力驱动的气体流动 ,结果表明固壁边界存在速度滑移 ,稀薄气体效应明显 ;整个流场温度变化很小 ,流动马赫数很小 ,密度、压力流向变化非常大而横向几乎不变 ;可压缩性导致压力随流向的非线性分布 。

微尺度气体流动

摘 要 了解微尺度气体流动特点是微机电系统设计和优化的基础.有关的研究可以上溯到20世纪初Knudsen的平面槽道流动质量流量的测量和Millikan的小球阻力系数的测量,实验结果揭示了稀薄气体效应即尺度效应对气体运动的重要影响.由于流动特征长度很小,微尺度气流经常处于滑流区甚至过渡领域,流动的相似参数为 Knudsen数和 Mach数.因此可以考虑利用相似准则,通过增大几何尺寸、减小压力的途径,解决微机电系统实验观测遇到的困难.为解决直接模拟MonteCarlo方法分析微机电系统中低速稀薄气流遇到的统计涨落困难,我们提出了信息保存法（IP）,该方法能够有效克服统计散布,并己成功用于多种微尺度气流.

微槽道气体流动的统计模拟

利用基于分子模型的统计模拟方法———信息保存方法 (IP)统计模拟了实验条件下微槽道气体流动 ,仔细讨论了用IP方法模拟长槽道稀薄气流时遇到的问题 ,并给出了解决的方法 ,即采取守恒形式的控制方程避免质量流量计算误差积累 ,并利用超松弛方法使收敛过程加速 .将IP计算结果与压力分布和质量流量实验数据进行了比较 .

微管道气体流动

对于长微管道气体流动 ,得到了简化的控制方程组 ,采用迭代方法可以给出流动的速度分布、密度分布 ,进而求出质量流量。实验研究表明 ,简化计算得到的流量基本上是合理的 ;即使对于极低的Mach数流动 ,微尺度流动的可压缩效应也十分明显。蒙特卡洛直接数值模拟表明 ,随着Knudsen数的增加 ,稀薄气体效应增强 ,滑流解与直接数值模拟的解偏差增大 。

考虑多种物理效应的钝锥俯仰稳定性参数影响分析

首先采用二阶ROE格式计算了非定常NS方程下高超声速钝锥体的俯仰阻尼导数,通过与文献中内伏牛顿法和实验结果对比验证了本文所采用非定常计算方法的正确性。同时采用二阶ROE格式及双时间步长、刚性旋转动网格技术等,数值分析了NS方程计算条件下高空高马赫数钝锥体模型的强迫振动非定常流场特征,并运用最小二乘法辨识出其俯仰静稳定性导数与俯仰阻尼导数。通过计算结果对比分析了不同高度(含稀薄气体效应)、Maxwell滑移边界条件及五组元化学非平衡模型对钝锥体模型非定常流动特征及静、动导数的影响。结果分析表明,本文所计算的钝锥模型在所假设强迫振动下的俯仰稳定性参数随高度变化剧烈,且考虑滑移边界条件与化学反应会使得俯仰力矩迟滞曲线形态发生较大程度改变。准确计算高空、高马赫数条件下飞行器俯仰阻尼导数应考虑化学非平衡效应和稀薄气体效应的影响,是否考虑这些物理效应会关系到飞行器静、动稳定的程度。

长微管道气体流动的近似解析解

对长微管道中压力驱动的气体流动 ,考虑到稀薄气体效应 ,给出了可压缩气体流动简化控制方程的近似解析解 ,得到了流动的速度分布、密度分布以及近似质量流量公式 ,分析了影响流量的因素。

不同形状微管道中的气体流动

不同形状微尺度管道(圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形)中的气体流动特性是微机电系统设计最为关心的问题之一．文中利用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法进行研究,给出两种方法的计算结果相互符合,并与其它研究者的BGK模型方程计算结果进行了比较．对于微尺度管道中关心的低Mach数流动, IP方法的统计收敛效率明显优于DSMC方法．通过拟合IP和DSMC结果,给出了圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形截面情况下无量纲质量流率与等效Knudsen数的关系．

微气体螺旋槽推力轴承转子系统非线性动力学分析

基于分子气体膜润滑模型探讨微气体螺旋槽推力轴承中的稀薄效应,将广义雷诺方程与运动学方程在时域内耦合并采用直接数值模拟方法联立求解,获得了任意时刻微转子的瞬态位移和速度响应,考察了气体稀薄效应以及不同螺旋槽结构参数对微气体螺旋槽推力轴承-转子系统非线性动力学行为的影响,并得到不同转速对应的轴向扰动临界值.结果表明:考虑稀薄效应时微轴承-转子系统显示出更好的稳定性;转速增加,轴向扰动临界值降低;能提高微轴承承载力的最佳螺旋槽结构参数,并不利于提高微系统的稳定性.

长微圆管道气体流动的简化计算

从N S方程出发 ,考虑稀薄气体效应 ,推导出长微圆管道中压力驱动的可压缩气体流动的简化控制方程组 ;采用迭代方法求解此方程组 ,得到了流动的速度分布、密度分布、质量流量 ;

微涡轮发动机气体轴承-转子系统非线性动力学研究

气体润滑轴承是支承高功率密度微涡轮发动机超高速转子的最佳选择。超小宽径比及气膜间隙、超高转子转速及工作温度以及不可避免的硅微加工缺陷是微涡轮发动机气体轴承系统面临的特殊挑战,然而目前对上述因素如何影响微气体轴承的性能还缺乏系统的研究。本文综合考虑了稀薄气体效应、工作气体温度、黏性摩擦力以及硅微加工缺陷等影响因素,研究了微涡轮发动机气体轴承-转子系统的刚度及阻尼系数、涡动稳定界限以及非线性动力学行为。主要内容如下。