过渡流区N-S/DSMC双向耦合算法研究

摘要

高超声速飞行器在穿越较高层接近稀薄条件的大气层时，将遭遇复杂的流场结构，连续/稀薄混合流动、稀薄气体效应、热化学非平衡效应等影响将更为显著，同时，流场中共存有连续介质区、过渡区和自由分子区的情况给一般单一数值模拟方法提出挑战。由于地面试验效率低、难度大且不切实际，因此建立有效的模型和数值算法进行模拟仿真连续/稀薄混合流场成为当下的研究热点。为了更好地了解此阶段飞行器的气动特性，提高气动力和气动热的预测精度，并鉴于 N-S方程在连续流领域和DSMC方法在稀薄流领域的成熟和成功，考虑建立N-S方程和DSMC方法的耦合算法来模拟研究此类问题。本文围绕建立过渡流区 N-S/DSMC双向耦合算法展开研究，主要内容如下：
　　首先梳理了N-S方程和DSMC方法的有关理论。介绍了CFD计算中的有限体积法和本文采用的N-S程序，并阐述了稀薄气体动力学、DSMC方法的理论和步骤，并做算例验证，为N-S/DSMC耦合算法提供理论支持。同时，作为DSMC算法的补充，研究了稀薄气体动力学的非定常流动的简单化学反应，对此作数值计算模拟仿真。
　　然后详细介绍了耦合算法的理论和相关计算模块，对耦合算法中的关键问题——分区界面定位和信息传递方式展开深入研究。通过文献分析和仿真测试确定合适的连续失效参数，比较分析耦合方式的优劣，从而选择 State-based耦合方法进行界面上的信息传递，并给出网格分区的计算流程，使两种算法的不同网格划分得到匹配，给出耦合方法的总体计算流程。
　　最后根据计算流程编制程序，搭建 N-S/DSMC耦合算法对一维流动以及过渡流区二维圆柱绕流问题进行了主要研究。通过模拟计算，获得一维流场的温度对比图以及二维模型的流场分布，并通过与DSMC方法和N-S方程的结果对比，论证耦合算法程序的有效性和可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究发展与现状

1.3 本文主要工作内容和安排

第二章 CFD的有限体积法和稀薄流体力学DSMC方法研究

2.1 CFD基本方程和基本原理

2.2 N-S方程数值计算方法

2.3 稀薄气体动力学

2.4 DSMC方法

2.5 本章小结

第三章 非定常流动的DSMC数值模拟化学反应

3.1 稀薄气体化学流动的DSMC方法

3.2 混合粒子注入的DSMC数值模拟

3.3 本章小结

第四章 N-S/DSMC耦合算法理论研究

4.1 连续失效参数

4.2 信息传递方式研究

4.3 网格分区计算流程

4.4 N-S/DSMC耦合算法总体流程

4.5 本章小结

第五章 N-S/DSMC双向耦合算法实现

5.1 耦合算法求解开发

5.2 耦合算法初步实现

5.3 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果