高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究.pdf

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1、第30卷第4期航天器环境工程2013年8月sPAcECRAFTENvIRONMENTENGrNEERING375高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究李学东，魏传锋(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要：高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境，采用非结构化DsMc程序对“火星探路者号”(MarsPam：flnder)探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟，计算得到了流场的温度分布、探测器

2、壁面的热流密度分布，分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NAsA兰利研究中心的计算结果作了比较，二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。关键词：高超声速；气动热力学；直接模拟蒙特卡罗(DsMc)方法；热防护设计中图分类号：0242．2；V19文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)04一0375一05DoI：10．3969／i．issn．1673一1379．2013．04．007O引言进入21世纪，各航天大国相继制定了行星探测计划，尤其是月球、火星的探测，从而掀起了发展空天运输飞船、深空探测飞行器

3、等的热潮[I乏】。这些行星探测器在飞向目标行星时需要很高的速度，而一旦进入行星轨道则又需要利用反推发动机的点火制动以降低其飞行速度，实现行星对探测器的捕获。对于像火星这样的有大气的行星，轨道制动除了反推发动机之外，还可以利用气动阻力制动(如膨胀气球)。利用气动阻力制动可以节省推进剂：例如将1000蚝的负载送入火星预定轨道，飞行速度每减小lkITl／s，采用拖曳气球技术能够减少350kg的推进剂用量。Ballute拖曳式膨胀气球技术是一种新型航天推进技术[孓4】。美国NASA的喷气推进实验室和兰利研究中心以及气球空间技术公司对该膨胀气球的关键技

4、术进行了研究，尤其对它在行星轨道大气中的气动力进行了实验研究，取得了大量成果，对气球的相关技术进行了改进。在NASA兰利研究中心的研究基础上，本文利用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法对“火星探路者号”的Ballute环形膨胀气球在不同工况下进行了数值模拟，气球飞行速度取8．55k州s(针对早期的土卫六行星探测速度)，飞行环境分为地球大气和火星大气，对膨胀气球的热力学环境进行分析。l高超声速气动的DSMC计算方法高超声速飞行器在大气中飞行要经历连续气体区域和稀薄气体区域。流区根据克努森数(砌)来划分，即砌=2，(1)三式中：力是气体分子平均自由

5、程；三是飞行器特征长度(飞行器迎风面的最大长度)。不同流区对应的砌数为：连续流区砌<0．01；滑移流区0．01<砌10。对于连续气体流区，可用Euler方程或者N．S方程进行求解。对于稀薄气体流区的高超声速流动问题，广泛使用的是DSMC方法。Bird[51提出的DSMC方法是一种通过处理单个分子的运动、碰撞和能量传递过程，直接从流动的物理模型出发的方法。目前DSMc方法已广泛应用于复杂外形的全尺寸飞行器高超声速流程、火箭和飞行器的推进剂羽流及其污染效应研究，从实际应用效果可以看出它是一种可行

6、的求解稀薄气体收稿日期：2013．04．10：修回日期：2013-07-22基金项目：国家自然科学基金项目(编号：50376004)；高等学校博士学科点专项基金项目(编号：20030007028)作者简介：李学东(1980～)，男，博士学位，从事载人航天器系统工程研究。E—mail：379882叭@qq．com。376航天器环境工程第30卷流动的仿真方法[5。6】。很多文献使用DSMC方法对高超声速飞行器在地球大气中的飞行进行了仿真研究"】。本文利用非结构化三角形网格的DSMC方法对热化学非平衡态高超声速流场进行数值计算，加入了5组元17基元

7、的地球大气以N、0为主组成的分子化学反应，以及8组元44基元火星大气环境以C02为主组成的化学反应机理的研究，对飞行器分别在不同稀薄程度地球和火星大气的流场中进行数值模拟，以得到飞行器在不同飞行工况下的流场特性和表面参数。1．1分子能量传递模型本文利用DSMC程序中的L．B模型来描述碰撞分子平动模式、转动模式和振动模式之间的能量交换，碰撞后分子的能量根据平衡分布函数在平动模式与内能模式之间重新分配。地球大气中N2分子和02分子的转动松弛碰撞数ZR=5；火星大气中C02分子的转动松弛碰撞数zR=6．7，而振动松弛碰撞数zv采用了Bird在文献[

8、10]中给出的表达式，即Zv=(C1／丁”)eXp(C2一乃)，(2)式中：r是分子温度；C1和C2是气体两种组分常数；w为气体黏性系数的温度幂指数。碰撞中的总能量