稀薄两相流模型及数值模拟方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11902313
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0903.空气动力学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

In the jet from the exit of hypersonic solid rocket engines, there are some particles of Al2O3, which are fired to the high-altitude atmosphere at an extremely high speed, and forms the so-called plume, because it is a jet stream of plume shape. After ejecting from the rocket exit, the plume expands rapidly into vacuum and develops a two-phase flow field consisting of gas molecules and Al2O3 particles. The presence of Al2O3 particles can produce extra aerodynamic and thermal loads of the spacecraft, and consequently has a significant effect on the aerodynamic properties and thermal protection system design. In addition, the backflow plume will contaminate some important components, such as lens, antenna and solar arrays. Therefore, it is necessary to accurately predict the two-phase plume flow. In the project, we are going to establish a particle-particle collision model to consider the effect of aspheric particles, and a gas-particle collision model to involve the two-way coupling associated with momentum and energy transfer between the gas and particle. Then, based on the Cartesian grid, we develop a rapid and accurate numerical method to model the rarefied two-phase flows, by employing non-uniform time step and non-uniform weight factor technique, and the recursive coordinate bisectioning dynamic load balance algorithm. Then, we apply the method to high-altitude jets/plumes produced by the solid rocket engine, aiming at predict the extra aerodynamic force/moment and aerothermal environment due to the two-phase flow. This study may benefit the development of the interdisciplinary rarefied gas dynamics and multi-phase fluid dynamics.
高空固体火箭发动机等产生的喷流中通常存在Al2O3颗粒,喷流经喷管加速,以非常高的速度向环境介质射去,形成羽毛状的燃气尾流,称之为羽流。在高空中高温羽流将迅速膨胀,形成气体-颗粒共存的两相流场。气体-颗粒共存的两相流场不但会影响飞行器的气动特性和防热设计,还会对飞行器表面造成羽流污染,故亟需准确预测稀薄流区高超声速飞行器喷流和羽流的两相流效应。本项目建立非球形颗粒碰撞模型和气体-颗粒碰撞模型,考虑非球形效应的颗粒-颗粒碰撞和气体与非球形颗粒之间动量、能量的双向耦合,基于自适应Cartesian网格技术,引入非均匀时间步长和非均匀权因子技术,结合递归坐标二分法仿真粒子动态负载平衡技术,发展稀薄两相流高效准确的数值模拟方法,实现高空固体火箭发动机的喷流/羽流等稀薄两相流的数值模拟,有助于准确预测羽流导致的气动力/力矩和气动热和羽流污染评估,并促进稀薄气体动力学/多相流流体动力学交叉学科的发展。

结项摘要

高空固体火箭发动机等产生的喷流中通常存在Al2O3颗粒,喷流在高空的稀薄大气环境中会迅速膨胀,形成稀薄气体和固体颗粒共存的两相流场。该两相流场不但会影响飞行器的气动特性和防热设计,还会对飞行器表面造成污染,故准确模拟这类稀薄气体和固体颗粒形成的两相流至关重要。本课题首先在现有DSMC方法的基础上,实现了网格的自动生成和自适应加密,结合非均匀权因子、非均匀时间步长和动态负载平衡等数值模拟技术,发展了一套高效的三维自适应DSMC方法。然后,建立了稀薄气体分子和非球形固体颗粒之间和动量/能量传递模型,实现了气体分子和固体颗粒双向耦合,发展了稀薄流区气体颗粒两相流高效准确的DSMC模拟方法。最后,还开展了稀薄来流与固体火箭发动机喷流两相流动的数值模拟,获得了来流/喷流两相流动的典型特征,研究了固体颗粒喷流密度和速度对流动特征和表面特性的影响规律和机理。结果表明:高温颗粒喷流阻挡高速来流,在喷口前方形成局部超高压和高热流区域,颗粒喷流的密度和速度的变化会改变喷口前方的分离区和漩涡结构等流场特征。此外,颗粒喷流密度和速度对表面特性也有重大的影响:喷流密度和速度越大,在喷口前方引起的压力和热流越大。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
A novel lightweight aerodynamic design for the wings of hypersonic vehicles cruising in the upper atmosphere
一种新颖的轻量级空气动力学设计,用于高超音速飞行器在高层大气中巡航的机翼
  • DOI:
    10.1016/j.ast.2020.106418
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    Aerospace Science and Technology
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Chen Zhi;Huang Fei;Jin Xuhong;Cheng Xiaoli;Wang Bing
  • 通讯作者:
    Wang Bing
Numerical simulation for rarefied hypersonic flows over non-rectangular deep cavities
非矩形深腔稀薄高超声速流数值模拟
  • DOI:
    10.1063/5.0102685
  • 发表时间:
    2022-07
  • 期刊:
    Physics of Fluids
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Xuhong Jin;Xiaoli Cheng;Qiang Wang;Bing Wang
  • 通讯作者:
    Bing Wang
Effects of the boundary-layer thickness at the cavity entrance on rarefied hypersonic flows over a rectangular cavity
腔入口边界层厚度对矩形腔内稀薄高超声速流的影响
  • DOI:
    10.1063/5.0045056
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    Physics of Fluids
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Jin Xuhong;Huang Fei;Miao Wenbo;Cheng Xiaoli;Wang Bing
  • 通讯作者:
    Wang Bing
超低地球轨道卫星大气阻力预测与影响因素分析
  • DOI:
    10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.030
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    清华大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    靳旭红;黄飞;程晓丽;王强;王兵
  • 通讯作者:
    王兵
Effects of corner rounding on aerothermodynamic properties in rarefied hypersonic flows over an open cavity
圆角对开腔稀薄高超声速流气动热力学特性的影响
  • DOI:
    10.1016/j.ast.2021.106498
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    Aerospace Science and Technology
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Jin Xuhong;Wang Bing;Cheng Xiaoli;Wang Qiang;Huang Fei
  • 通讯作者:
    Huang Fei

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其他文献

大尺度网格下DSMC仿真碰撞概率的修正方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    计算力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄飞;靳旭红;赵波;程晓丽;沈清
  • 通讯作者:
    沈清
超低轨航天器气动设计与计算方法探讨
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    航天器工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张立华;程晓丽;靳旭红;丁延卫
  • 通讯作者:
    丁延卫

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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