临近空间高超声速飞行器流场的局部稀薄效应及相应的CFD计算方法研究

The research and development of near space hypersonic vehicles is now under fierce competition among large countries. There is no doubt that CFD plays an important role in the R&D of those vehicles. However, for those vehicles with Mach number larger than 15 and flying at altitude higher than 65km, CFD may not be able to provide accurately enough certain aerodynamic coefficients of the vehicles, for example, the drag force, the lift to drag ratio, the heat flux at the wall, etc. The cause is now acknowledged as the rarefied gas effect, which would exist under the above mentioned flying condition, has not been taken into consideration in conventional CFD. In this project, we are mainly concerned with how to take the rarefied effect into consideration in the CFD. We will proceed as follows: 1. Find what would be the appropriate parameters characterizing the degree of rarefaction. For simple and typical flow models, use DSMC to see how the rarefied effect would bring to its microscopic properties, for example, the velocity distribution functions of molecules, as well as to the corresponding macroscopic transport characteristics. Depending this parameter, the deviation of shear stress and heat flux calculated by conventional CFD will be investigated. 2. Find the relationship between the effective transport coefficients and the obtained rarefied degree parameters. Then embed the above obtained results in the CFD code. Therefore, the new CFD model would be able to simulate the flow with locally rarefied gas effect, while the computational cost would not be appreciably increased. Preliminary investigation shows the above procedure does work.

临近空间高超声速飞行器的研发已在世界大国间展开激烈竞争，CFD 在其中发挥了重要作用。但已发现，对于飞行马赫数大于15，飞行高度大于65公里的飞行器，CFD给出的若干气动参数，如阻力、升阻比、热流等不够精确，其原因被认为是CFD中没有考虑可能存在的稀薄气体效应，而目前动理论计算方法由于计算量巨大无法用于工程实际中。因此本项目主要研究的问题是如何在CFD中考虑稀薄气体效应。具体包含以下两方面：1.刻画稀薄程度的参数。选取简单但典型的流动，用DSMC方法研究稀薄气体效应对流动的若干微观特性，如气体分子速度的分布函数，以及对相应的若干宏观输运特性的影响，分析传统CFD计算的剪应力及热流的误差，找到合适的参数。2.获得流体有效输运系数与刻画气体稀薄程度的参数之间的函数关系，并将其纳入CFD中。这样使得CFD既考虑了稀薄效应，但又不显著增加计算量。初步研究证实了该思路的可行性。

稀薄气体效应是影响临近空间高超声速飞行器气动力、热预测的一个重要因素。传统CFD方法无法准确给出阻力等气动参数，而气体动理论方法由于其计算量巨大无法应用于工程实际中。因此，本项目主要研究内容是近连续高超声速流动中稀薄气体效应的表征及发展工程可用的考虑局部稀薄气体效应的计算模型，以实现对气动特性的准确预测。研究结果如下：1）明确了边界层中剪切非平衡效应是影响摩阻计算的主要因素，这种剪切非平衡由边界层当地分子自由程增大合并强剪切而产生，起决定作用的参数是相距一个分子平均自由程的宏观速度差与分子热速度的比值，基于此提出了表征参数Zh，通过DSMC研究表明该参数可在微观描述速度分布函数偏离平衡态的程度，同时可定量表征线性本构关系计算的应力、热流的误差。2）通过对低速到高速的剪切流的输运特性研究，揭示了稀薄剪切流的非平衡机理，低速流动稀薄效应主要由壁面效应主导，而高速剪切流则由剪切非平衡效应主导，对壁面努森层提出了归一化的壁面距离使得不同马赫数流动的等效输运系数服从统一的壁面尺度率，对于剪切非平衡效应建立了等效输运系数与稀薄程度表征参数间的函数关系。3）基于等效输运系数发展了考虑局部稀薄气体效应的宏观计算模型（DiNS， DSMC data improved Navier-Stokes），该模型通过流场局部稀薄气体效应的程度修正粘性系数和热传导系数，进而修正本构关系，实现非线性输运。通过对典型的简化外形（平板、钝平板、钝锥等）在60-80km高空参数范围内的高超声速绕流模拟，结果表明新模型取得了与DSMC一致的结果，可有效改进宏观模型对流场、壁面气动力的计算，且计算量比DSMC高一个量级。同时所建立的DiNS模型不用于NS-DSMC等混合算法，不需要分区计算，在连续流自动退化至NS方程，算法简单，可方便植入现有CFD求解器。综上，通过本项目的研究，在近空间高超声速流动问题上加深了对局部稀薄气体效应的认识，建立了可描述关键物理的高效计算方法，方法得到了广泛地验证，具有很好的应用前景。