基于N-S/DSMC耦合算法的喷管跨流域流动模拟

摘要

随着中国军事和宇航任务的发展，各类航天器对提供极低推力的微型推进器的需求日益增加，微喷管作为微推进器的关键组成部分，主要是通过对气体的流动控制实现航天器的轨道机动和特殊姿态控制等。根据气体流动稀薄程度的不同，可以将流动区域分为:高密度的连续流区，极低密度的自由分子流区和介于两者之间的过渡区。一般情况下微喷管内部流动会出现同时跨越几个流动区域的现象，其中非连续流区的流动会存在着明显的稀薄效应，除此之外，微喷管尺度小，气体工质的粘性效应对微喷管的性能和推进效率有着较大的影响，因此微喷管流动特性的研究对微型空间推进器及微机电(MEMS)动力系统的设计和性能改进具有重要的意义。
　　本文分别采用基于连续介质法的Navier-Stokes方程和基于分子动力学的直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)对跨流域问题展开研究，开发出基于有限体积法的的N-S方法计算程序和基于贴体网格的DSMC计算程序。结合基于通量的弱耦合信息传递机制，开发出混合算法的核心功能模块:连续失效判断模块、网格区域划分模块、信息传递模块和数据存储模块，从而实现基于贴体网格的N-S/DSMC的双向耦合算法，在保证对稀薄流动计算准确性的基础上，提高算法计算效率，并成功将其运用于跨流域微喷管的流动计算上。
　　本文根据NASA/Goddard太空飞行中心开发的MEMS单组分推进器原型，对其微喷管展开研究。在保持微喷管面积比不变的情况下，通过改变喷管扩张角、壁面温度、入口流量、和推进剂种类等条件，研究小尺度粘性效应和稀薄效应对微喷管性能和推进效率的影响，并采用多块网格对微喷管外部羽流进行计算，得出稀薄条件下微喷管外部羽流的分布规律，为进一步的羽流力热耦合研究作好准备。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1微推进器现状研究

1．2．2微喷管现状研究

1．2．3混合算法现状研究

1．3本文主要研究内容

第2章连续／稀薄数值方法研究

2．1连续介质模型

2．1．1控制方程

2．1．2粘性与导热的处理

2．1．3有限体积法思路

2．1．4无粘项的离散

2．1．5粘性项的离散

2．1．6边界条件设置

2．1．7 N-S方法计算程序验证

2．2稀薄气体动力学模型

2．2．1 DSMC方法简介

2．2．2分子运动论基础

2．2．3分子特性

2．2．4分子间相互作用

2．2．5分子与物面相互作用

2．2．6 DSMC方法相关设定

2．2．7 DSMC方法计算程序验证

2．3连续／稀薄方法对比验证

2．4本章小结

第3章连续／稀薄混合算法研究

3．1混合算法主要功能模块研究

3．1．1连续失效判断模块

3．1．2网格区域划分模块

3．1．3信息传递和数据存储

3．2混合算法边界条件设定

3．3 N-S／DSMC耦合算法程序验证

3．4本章小结

第4章微喷管内流场数值模拟

4．1物理模型建立

4．2微喷管边界条件设置

4．3数值模拟结果与分析

4．3．1不同扩张角度下微喷管内流场研究

4．3．2不同内壁面温度下微喷管内流场研究

4．3．3不同入口压强下微喷管内流场研究

4．3．4不同推进剂下微喷管内流场研究

4．4本章小结

第5章微喷管外部羽流数值模拟

5．1物理模型建立

5．2边界条件设置

5．3数值模拟结果与分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果

致谢