空间羽流对探月飞行器撞击效应数值模拟研究

摘要

真空发动机羽流以及羽流撞击效应的研究在现实和理论上都具有非常重要的意义。与国外先进实验室相比,国内在理论上对羽流问题的研究虽然取得了一定的成果,但整体水平相差甚远,特别是某些领域很少进行研究,如真空羽流撞击效应的研究。对于新一期的探月工程来说,真空羽流及其撞击效应的研究越来越受到人们的重视。
　　本文以真空发动机羽流场研究为依据,对以下内容做了进一步的探索性工作:喷管外二维轴对称羽流仿真分析;二维羽流撞击仿真分析;出口速度及出口数密度对壁面撞击的影响分析;二维羽流回流仿真分析;羽流对三维卫星简化模型的撞击影响分析。
　　真空羽流的研究跨越了不同的领域,主要包括:连续流、自由分子流及过渡流等。而本文主要进行外流场的研究。首先对高空羽流的国内外现状进行总结,分析现有技术的特点、不足及将来的发展。由于Boltzmann控制方程难以准确的解决这一问题,本文采用DSMC方法,利用Fortran语言进行程序编写,建立运动与碰撞模块,进行羽流场及其撞击效应的仿真分析。
　　通过Tecplot后处理软件,将程序所得的数据结果进行图形处理,分析计算结果,得到外羽流场内温度、密度、压力随着气体的流动迅速的减小,然而马赫数不断的增加;壁面受到的分子撞击数与壁面受到的压力和热流密度成正比;出口速度越大,壁面受到的分子撞击数越多,受到的压力也越大,反之相反;出口密度越大,壁面受到的分子撞击数越多,受到的压力也越大;飞行器上表面靠近发动机处受到的羽流撞击影响比较严重,随着距离的增加羽流撞击影响逐渐减弱;飞行器底表面靠近发动机处受到的羽流撞击影响较弱,沿着径向方向羽流撞击影响逐渐增强。

目录

空间羽流对探月飞行器撞击效应数值模拟研究

NUMERICAL SIMULATION OF SPACE PLUMEIMPACT EFFECT ON LUNAR EXPLORATIONVEHICLE

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究目的

1.2 羽流状况及研究方法

1.2.1 研究方法

1.2.2 国外研究现状

1.2.3 国内研究现状

1.3 DSMC方法简介

1.4 本文的主要研究内容

第 2 章 稀薄气体动力学基本理论

2.1 流动特性的分区

2.2 速度分布函数

2.2.1 速度分布函数的构造

2.2.2 单组元宏观参数

2.2.3 多组元宏观参数

2.3 基本假设

2.4 玻尔兹曼方程

2.5 分子模型

2.5.1 硬球（ ）模型

2.5.2 负幂律模型

2.5.3 Lennard-Jones (L-J)模型

2.5.4 库伦势模型

2.5.5 方井模型

2.5.6 Sutherland模型

2.6 数值模拟方法

2.7 本章小结

第 3 章 羽流场算法研究

3.1 程序的主要思想

3.2 羽流场算法流程

3.3 程序初始化关键技术

3.3.1 区域的网格划分

3.3.2 选取时间步长

3.3.3 权函数

3.4 DSMC程序中边界处理方法

3.4.1 物面反射条件

3.4.2 真空边界条件与对称边界条件

3.4.3 来流边界条件

3.5 碰撞的散射模型与力学机理

3.5.1 力学机理

3.5.2 散射模型

3.5.3 碰撞速度计算

3.6 NTC抽样方法

3.7 DSMC中宏观量表示方法

3.8 本章小结

第 4 章 羽流场的仿真分析

4.1 喷管外二维轴对称仿真分析

4.1.1 边界条件与计算网格

4.1.2 仿真分析

4.2 二维轴对称羽流撞击仿真分析

4.2.1 物理模型

4.2.2 仿真分析

4.3 出口速度对壁面撞击的影响分析

4.4 出口数密度对壁面撞击的影响分析

4.5 喷管外二维羽流回流仿真分析

4.5.1 物理模型

4.5.2 仿真分析

4.6 三维简化卫星模型仿真分析

4.6.1 三维模型

4.6.2 仿真分析

4.7 本章小结

结 论

参考文献

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致谢