考虑高温非平衡效应的滑移流气动热并行计算研究

近空间飞行器的研究涉有国家安全，具有极为重要的战略意义。飞行器在高空以高马赫飞行使周围空气急剧升高，从而产生气动加热，空气发生离解、电离和多个能态激发的高温非平衡效应，在高空条件下空气密度降低，还会出现稀薄气体效应，多种效应的耦合作用包含复杂的机理，会对飞行器的气动热/力特性产生较大差异，有必要进行深入研究。本项目针对上述问题和需求，耦合考虑高温非平衡效应和稀薄气体效应的影响，分析近空间飞行器高空高马赫数条件下稀薄过渡区气动加热机理。根据稀薄过渡区流动的特点，发展考虑高温非平衡效应的滑移流气动热数值模拟方法；针对复杂效应耦合计算所引起的计算量急剧增加，发展大规模并行算法，以提高计算效率。进行飞行器复杂流场的整体计算分析和热环境预测，为近空间飞行器热防护和总体设计提供技术指导和参考。

近空间飞行器在高空高速长时间飞行，将会遭遇高温非平衡、稀薄滑移等复杂效应，导致气动热预测出现一系列难点问题。本课题采用CFD技术对高超声速气动热数值计算影响因素、滑移效应、高温非平衡效应及并行算法开展了深入研究。考虑量热完全气体条件、高温热化学非平衡条件和稀薄滑移条件建立了数值模拟方法，基于消息传递库，发展了相应的高超声速气动热并行计算方法，针对典型外形和飞行条件，开展了气动热并行计算研究。主要内容包括：. 1、开展了格式及限制器应用对比分析；建立了量热完全气体模型的气动热数值模拟方法，对气动热数值模拟中的网格因素和收敛性进行了深入研究。. 2、建立了高温热化学非平衡条件下的气动热数值模拟方法，分析了热化学非平衡效应对流场结构、温度场及热流的影响。. 3、采用NS方程添加滑移条件的方式，建立了高超声速滑移流气动热数值模拟方法，对高空稀薄滑移区气动热开展了计算分析。. 4、基于MPI，发展了气动热并行计算方法，在PC机群式系统和大规模集群并行系统，进行了大规模并行计算分析，为工程复杂外形应用计算奠定了基础。. 5、建立了耦合高温非平衡和滑移效应的气动热并行数值模拟方法，对某空天飞行，60km～90km的高度，开展了Ma10、20的气动热计算研究，分析了不同高度和马赫数条件下，高温非平衡、滑移流单一及其耦合作用对气动热影响的规律。. 通过课题开展的相关研究，出版专著1部，软件著作权4项，军队科技进步二等奖1项，支撑2名博士学位论文工作，毕业硕士2名，建立了耦合复杂效应的气动热并行计算方法，能够为近空间飞行器高空高马赫数飞行的气动热预测提供支撑，所开展气动热计算分析，为高超声速飞行器外形结构设计提供参考。