摘要：针对上层大气层吸气式电推进系统进气道的宽范围设计难题,采用直接模拟Monte Carlo(Direct Simulation Monte Carlo,dsmc)方法对进气道内部流动问题进行了系统的数值模拟,探索气体压力和质量通量的分布特征,考虑飞行高度的影响规律和作用机理,评估自由分子流假设的有效性.结果表明,随着飞行高度的升高,进气道内部的无量纲压力逐渐降低,表明进气道的压缩性能减弱.因此,当吸气式电推进系统运行在上层大气层的较高区域时,应特别留意进气道的压缩性能.此外,随着飞行高度的升高,气体分子之间碰撞的减弱导致无量纲质量通量在压缩段中心区域减小,在电离加速段中部增大.对于120 km左右的高度,进气道流动中气体分子之间的碰撞仍然具有举足轻重的作用,自由分子流假设给出的气体压力和质量通量与标准dsmc结果存在明显的差异.对于180 km及以上的高度,进气道流动可以认为是自由分子流,即气体分子之间的碰撞可以忽略,自由分子流假设给出的气体压力和质量通量与标准dsmc结果一致,此时采用自由分子流假设是合理的.

摘要：高超声速再入飞行器面临着严峻的气动热环境,准确预测微烧蚀过程对热防护系统的设计至关重要.由于烧蚀会改变气动外形,进而影响周围的气动热环境以及烧蚀过程本身,因此需要将烧蚀过程与流场变化进行耦合计算.文章采用基于直接模拟蒙特卡洛(dsmc)方法的开源程序SPARTA,对高超声速条件下的再入飞行器表面微烧蚀问题展开研究.为构建并测试通用的耦合算法,通过典型的一维烧蚀模型改进了SPARTA的动能烧蚀模型并采用烧蚀表面热平衡模型计算烧蚀速率,结合Marching Square算法的特点修改了网格节点的计算方法.针对柱体、球锥以及带有微小粗糙元的斜楔体等典型外形,文中计算了二维条件下不同气动外形的烧蚀过程并进行了详细分析.其中球锥截面烧蚀预测结果中沿驻点线的烧蚀面呈现出较快的衰退速率,并且与文献中驻点附近的结果吻合情况较好.斜楔体的烧蚀结果表明,微小粗糙元的附近存在着非常稀薄的流场区域,并且其与头部驻点区域会率先发生烧蚀,反映了再入飞行器表面的微烧蚀特征.烧蚀结果对高超声速下微烧蚀机理的研究以及热防护系统的设计具有参考意义.

摘要：为提高直接模拟蒙特卡罗(dsmc)仿真模拟的并行计算效率,基于消息传递接口(MPI)的并行环境,通过对比分析主从模式及对等模式两种程序设计模式下的并行效率,探讨了对等模式下非结构网格dsmc并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡dsmc仿真模拟的并行策略,设计了基于对等模式动态负载平衡的dsmc并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟,验证本文并行算法的有效性,结果表明,本文设计的基于对等模式动态负载平衡的dsmc并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。

摘要：综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4-0.6之间,通过优化升阻比至少有3%-5%的提高余地。对dsmc算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。

摘要：研究了二维热化学非平衡流动非结构网格dsmc方法实现的过程。提出了一种新型的高效搜索算法,该算法不仅可以跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且在搜索过程中可以准确判别分子与物面是否相互作用,避免了原有算法中分子表面反射非确定论判据。为加快流场的时间发展历程,设计了适合dsmc方法的动态局部时间步长技术,使其可以应用到定常和非定常流场的计算。利用Fortran90的动态分配内存技术编制了计算程序。最后对过渡流域高超声速圆柱绕流进行了数值试验,计算结果初步验证了该算法的可行性。

摘要：研究了过渡流域三维热化学非平衡流动dsmc方法实现的过程。以四面体非结构网格为基本单元，提出一种新型的高效搜索算法，该算法不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移，而且可以准确判别分子与物面是否相互作用，避免了原有算法中分子表面反射的非确定论判据。设计了适合三维dsmc方法的动态局部时间步长技术，节约了计算时间。将碰撞距离的思想引人到非结构网格上来，有效地消除了网格尺度小于三分之一平均自由程的限制。利用Fortran90的动态分配内存技术编制了适用于任意外形的通用计算程序。最后对全尺寸航天飞机高超声速绕流进行了数值试验，计算结果验证了该算法的可行性及高效性。

摘要：研究了二维自适应非结构网格dsmc并行算法实现的过程。首先提出了一类非结构网格自适应策略,有效降低了网格尺度对计算结果的影响,提高了流场的分辨率;然后基于PC-CLUSTER群机并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,利用分区并行思想,设计了非结构网格dsmc并行算法,节约了计算时间。利用For-tran90的动态分配内存技术编制了通用计算程序;最后对过渡流域高超声绕流进行了数值模拟,计算结果初步验证了算法的可行性与有效性。

摘要：利用Lennard-Jones(6-12)作用势,设计GSS-3分子碰撞模型,通过与已有的分子模型及实验数值对比,该模型能够给出正确的气体输运性质.将GSS-3模型应用到非结构网格dsmc中,模拟二维超声速平板绕流和圆柱绕流.数值计算结果初步验证该分子模型的合理性与有效性.

摘要：基于PC-CLUSTER机群并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,研究了三维非结构网格dsmc并行算法。提出一类基于结构背景网格上的非结构网格动态分区策略,保证各子区域的分子数量大致相等,实现计算进程间的动态负载平衡。利用MPI库函数构造了两类符合dsmc并行原理的通讯法:单步通讯法与多步通讯法。采用单控制多数据流(SPMD)以及Master/Slave并行模式,设计了三维非结构网格dsmc整体并行算法。给出了跟踪模拟分子在四面体网格间迁移运动的详细计算过程。最后对全尺寸航天飞机高超声速绕流进行了并行模拟,验证并行算法的有效性。

摘要：研究了一类二维非结构网格dsmc方法的实现策略。在数据结构方面,设计了局部化的数据组织方式,节约了内存与计算时间。发展了一种跟踪模拟分子迁移的算法,该算法仅需少量的逻辑运算与代数运算,不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且可以准确判别分子与物面是否相互作用,搜索过程中的附带信息给出了分子与物面碰撞的精确时间与位置,避免了重新计算。引入碰撞距离的思想,既减少存储又保证正确的模拟结果。在程序编制过程中,我们充分展现了Fortran90高级语言的主要特性,引人动态数组、指针、链表以及派生类型数据,编制了计算程序。最后对过渡流域高超声绕流进行了数值试验。