考虑转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法应用研究

摘要

为了研究气体分子转动非平衡效应对跨流区气体流动的影响，本文基于过去开展求解稀薄流到连续流跨流域气体流动问题统一算法框架，通过对转动自由度松弛变化特性的研究，采用转动惯量描述气体分子自旋运动，利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量，发展考虑转动非平衡效应的Boltzmann模型方程数值求解方法。通过数值计算考虑转动非平衡影响的高、低不同马赫数（1.5≤Ms≤25）氮气激波结构内流动与全局Knudsen数（104≤∞≤10? Kn）二维Ramp制动器、三维圆球、尖双锥外形、钝锥飞行器等跨流域绕流问题，分析验证了考虑转动非平衡影响的Boltzmann模型方程统一算法在求解双原子气体各流域绕流问题方面的可靠性与对转动自由度、物面气动特性数值模拟的适应性，揭示了飞行器从高稀薄自由分子流到连续流跨越中间过渡带非平衡流动变化规律与复杂绕流现象。