近空间飞行器跨流域复杂非平衡绕流问题的模拟研究

如何准确模拟近空间跨流区飞行所遇到的高温稀薄气体、非平衡和粘性干扰及耦合作用问题，一直是流体力学前沿与挑战。本项目旨在过去开展稀薄流到连续流跨尺度统一算法基础上，尝试解决近空间飞行器跨大气层飞行面临的上述关键基础科学问题。拟从Boltzmann方程碰撞松弛间隔理论出发，提出描述混合气体各组元流动输运与内能松弛、高温非平衡变化特征各流域统一的介观分子速度分布函数方程；研制可用于分子能级与速度空间离散降维的间断纵坐标法与宏观参数离散数值积分方法，发展直接求解混合气体各组元、非平衡各能级状态下分子速度分布函数耦合迭代松弛格式与气体运动论边界条件数值方法；建立可靠模拟稀薄流到连续流跨流域含内能激发、热力学非平衡真实气体效应复杂绕流气体运动论统一算法与大规模并行计算技术。依托高超声速低密度风洞与N-S/DSMC耦合算法，开展计算与实验验证结合，剖析近空间飞行环境高超声速复杂流动机理及气动力/热特性。

如何从Boltzmann方程碰撞积分物理分析与可计算建模出发，发展适于近空间飞行环境跨流域复杂非平衡绕流问题模拟的基础理论统一模型算法与高效并行计算实现，及其与复杂飞行器高温稀薄气体非平衡流DSMC方法、近连续滑移流N-S解算器耦合模拟技术、低密度风洞实验验证结合，致力近空间高超声速飞行高温稀薄气体、非平衡粘性干扰复杂流动机理与空气动力特性应用研究，成为了本重大研究计划重点支持项目的核心内容研究方向。项目执行四年，研究提出了适于各流域统一的混合气体Boltzmann模型方程数值求解格式，从计及转动自由度松弛变化特性Rykov模型出发，引入转动惯量描述气体分子自旋运动，构建了适于双原子气体考虑转动非平衡效应各流域统一Boltzmann模型方程，运用所发展离散速度坐标法，构造直接求解能量约化速度分布函数气体动理论耦合迭代数值格式，提出了从稀薄气体自由分子流到连续流考虑热力学转动非平衡松弛效应Boltzmann模型方程统一算法数学模型。通过对高低不同马赫数、近地空间飞行环境跨流区不同高度某返回式卫星球锥体、翼身组合外形与返回舱等复杂飞行器绕流模拟，建立了求解Boltzmann模型方程模拟跨流域复杂高超声速气动力/热绕流问题统一计算理论与方法应用研究平台。从理论与数值两方面研究证明了基于微观粒子随机统计模拟DSMC方法与直接求解Boltzmann模型方程统一算法在描述Boltzmann方程极限意义下收敛一致性。建立了连续能量模式和考虑量子效应间断能量模式DSMC碰撞传能模型，发展适于近连续过渡流区高超声速绕流问题预测分析N-S与DSMC耦合模拟技术和低密度风洞跨流区气动力试验模拟准则，完成了适于低密度风洞40-90km纵向气动力测量的三杆小尺寸小量程天平结构优化设计。通过几种空气动力学研究手段初步比较验证，为多类再入飞行器近空间飞行环境过渡流区高超声速飞行绕流提供不同壁温条件下的气动特性，产生较好工程应用成效。首次计算揭示天宫飞行器低轨道空间过渡带气动力系数随高度变化幅度达10%-48%，解决了大型航天器低轨道飞行曾用固定阻力系数2.2变与不变争论已久的问题，为天宫飞行器精密轨控保障提供重要指导作用。已在国际SCI杂志发表论文12篇、EI及国内核心期刊发表论文20余篇，被评价提出求解玻尔兹曼模型方程统一算法与多区域耦合一体化计算技术，属航天领域最富吸引力有重大意义的研究。

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