PWS软件应用于探月着陆器羽流效应数值模拟研究

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1、航天器环境工程第27卷第1期18SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年2月PWS软件应用于探月着陆器羽流效应数值模拟研究蔡国飙，贺碧蛟(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：文章使用自行开发的PWS计算软件就探月着陆器主发动机羽流对着陆缓冲机构产生的气动力和对流换热热效应问题进行了数值模拟研究。PWS软件是一个基于直接模拟蒙特卡罗方法的羽流计算通用软件，其松散的软件架构保证了各个计算模块的相对独立性，使用“与”、“或”逻辑法则的二级构造法来实现边界条件的通用性。软件的

2、计算值与国外CUBRC实验测量值符合得很好。使用PWS软件对着陆器主发动机羽流进行数值模拟计算表明着陆缓冲机构所受的羽流气动压强最大达到2．4Pa；缓冲机构底盘侧面的对流换热热流密度最大达到2000W／m2；当缓冲机构壁面温度从300K增加到500K时，其表面对流换热流密度值有所下降，其最大下降值不到5％。关键词：真空羽流效应；直接模拟蒙特卡罗方法；PWS软件；探月着陆器中图分类号：V476．3；TBll5文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)01—0018-06DoI：10．39698．issn．

3、1673—1379．2010．01．0031引言探月着陆器主发动机在真空环境下工作时会对外部环境产生自由膨胀的羽流，会对着陆缓冲机构带来包括气动力和对流换热等的羽流效应影响，可能影响着陆缓冲机构的正常工作，为此需要开展发动机真空羽流效应研究。为了对真空羽流场进行数值模拟，必须针对不同的流动状态建立相应的数学物理模型，并采用与之相应的数值模拟方法。目前能够比较成功地模拟自由分子流和过渡领域流的数值方法是直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法¨J。国外针对发动机羽流问题的研究开展得比较早，开发了一系列基于DSMC算法的模拟计

4、算软件，其中比较典型的通用计算软件有：由美国约翰逊航天中心(JohnsonSpaceCenter)的LeBeauu叫等人开发的DAC(DSMCAnalysisCode)软件，由俄罗斯理论与应用机械研究所(theInstituteofTheoreticalandAppliedMechanics)的Ivanov等人pj开发的SMILE(StatisticalModelingInLow．densityEnvironment)软件，由美国Comell大学的Dietrich和Boyd等人开发的MONACO计算软件【6，，J等

5、。本文所介绍的基于DSMC算法的PwS(PlumeWorkStation)计算软件依据模块化的原则，适当引入面向对象的编程思想，特别设计具有较强通用性的粒子边界处理模块，实现了PWS软件在羽流模拟计算上的通用化，并在国外超音速稀薄气流对双圆锥体的气动力和气动加热效应(CUBRC)的测量实验基础上开展实验验证工作。使用PWS软件就探月着陆器主发动机羽流对着陆缓冲机构产生的气动力和对流换热热效应进行了研究，并且对比了不同缓冲机构壁面温度对表面热流所产生的影响。2PWS软件DSMC算法使用大量的“模拟分子”以模拟真实的气

6、体，为此需要较大的存储空间和较高计算速度，这极大地限制了DSMC算法的应用。DSMC算法的计算主程序有6个主模块：粒子运动模块，边界模块(主要指固体边界)，粒子模块(粒子参数存储)，网格模块，粒子进入模块，粒收稿日期：2009—10-10；修回日期：2010．01．04基金项目：民用航天科研预先研究项目作者简介：蔡国飙(1967．)，男，教授，博士生导师，主要从事火箭发动机技术及真空羽流的研究。贺碧蛟(1979．)，男，博士研究生，专业研究方向为高空羽流效应及并行计算。联系电话：(010)82315561；E．ma

7、il：hbj@sa．buaa．edu．cn。蔡国飙等：PWS软件心用于探月着陆器荆流效应数值模拟研究19碰撞模块。考虑到汁算速度的需要，存6个丰模块的基础l：再增加。个并行模块。在羽流效应计算时，DSMC算法的各模块信息交换关系如图l所示。PWS软件是根据模块化和面向对象的原则对DSMC计算程序进行改进，具体如F：(1)使用松散的软件架构保证各个计算模块的相对独立性，即改进其中一个模块时，基本上不需要改动其他模块；(2)对各个模块的功能实现采用通用性设计，即在使用单／多组分分子、不同分子模型(碰撞模型和内能模型)、

8、小同固体边界条件时不需要改动源代码。口列≯L竺竺l交换拉二笋～—2竿乡l粒子运动IL—丢剡毒、心歼，ol也图IDSMC计算模块信息交换关系图Fig．1MessagetranslationamongtheDSMCcomputationmodules从图l可知，边界仅对粒子运动和网格单元体积产生影响，由丁‘静止边界对网格单元体积的影响是恒定的，所以可以将粒f运动