【摘要】：高超聲速流動因其獨特的物理化學特征,難以采用傳統(tǒng)實驗方法或連續(xù)介質(zhì)模擬方法全面研究。本論文通過改進硬球-擬顆粒模擬(HS-PPM),顯著降低了離散模擬的計算量、提高了計算效率,從而改進了該方法模擬高超聲速流動的適用性。HS-PPM原本是針對氣固多相流動提出的一種離散模擬方法,已成功應用于納微尺度氣體流動-擴散耦合過程的模擬。本論文為探索其在高超聲速流動領域的適用性,首先分析了高超聲速飛行器再入過程的流動特征,并調(diào)研了國內(nèi)外在該領域的研究進展。在調(diào)研基礎上,改進了HS-PPM中的壁面描述、氣體表面作用模型、邊界條件設置等,使其更適合描述高速流動。在此基礎上論文對比了硬球模型(HS)、HS-PPM和直接模擬蒙特卡洛(DSMC)方法模擬同一高超聲速圓球繞流問題的結(jié)果,表明HS-PPM的結(jié)果較DSMC更接近HS。對雷諾數(shù)為100、馬赫數(shù)從4到19的三維圓球繞流,在HS-PPM中分別采用完全熱邊界和完全滑移邊界得到了阻力系數(shù)的上下限,并與相應的HS結(jié)果吻合。上述研究表明了HS-PPM處理高超聲速稀薄氣體流動的可行性。通過外推填充率趨于0的圓球繞流結(jié)果、模擬馬赫數(shù)為24而努森數(shù)從0.11到4.55的零攻角三維尖錐繞流及馬赫數(shù)為20而努森數(shù)為0.03的長尾鈍錐繞流等實例,分析其誤差并指出了HS-PPM改進的方向。作為初步的誤差修正,對HS-PPM引入了Larsen-Borgnakke能量模型。模擬的粒子具有平動能和包括轉(zhuǎn)動、振動的內(nèi)能,并根據(jù)平衡分布賦予粒子能量初值。在每次碰撞中通過隨機取樣更新粒子能量使碰撞后粒子不同能量模式的宏觀統(tǒng)計值符合各自的平衡分布。對長尾鈍錐的對比模擬證明能量模型的引入基本修正了無反應HS-PPM結(jié)果中激波溫度偏高的問題。但對Apollo返回艙模型以馬赫數(shù)33再入努森數(shù)約為0.081的大氣層的模擬表明,當真實氣體效應顯著時僅考慮能量轉(zhuǎn)化不足以修正溫度誤差。本論文繼而提出了簡單的氮氧離解反應模型,將其中的能量引入Larsen-Borgnakke 能量模型并初步實現(xiàn)了粒子分裂模型及其算法,從而顯著改進了Apollo返回艙模型算例中HS-PPM的溫度場分布。本論文的研究表明并改進了 HS-PPM對高超聲速稀薄流動的適用性。但本論文的反應模型只考慮了比較簡單的空氣組分和反應網(wǎng)絡,未來的研究還應從復雜反應模型、可變碰撞截面等多方面繼續(xù)改進HS-PPM。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ021.1

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本文編號：2740095