高超声速飞行器多尺度多物理输运问题的计算方法

We will develop and study new efficient computational methods, and establish a new computational platform,for multiscale and multiphysics problems in hypersonic vehicles. From realistic fluid flow problems, we will provide new multiphysics mathematical models that are suitable for multiscale computation, with numerical approximations that are asymptotic preserving and positive-preserving. We will also significantly improve the efficiency of the Direct Simulation Monte-Carlo (DSMC) method. Furthermore, we will extend our new kinetic methods to solve complicated physical problems involving thermal nonequilibrium, chemical nonequilibrium and radiative nonequilibrium according to the characteristics of hypersonic flows. Validation and verification of the new methods will be conducted both numerically and experimentally. The aim of this project is to significantly enhance the ability of computational simulations in some important problems of astronautics and aeronautics in China. Our project will also help engineering design of hypersonic vehicles by obtaining the best design parameters.

对高超声速飞行再入大气过程中的多尺度多物理输运问题我们将构造并研究新的高效率计算方法并构建新的计算平台。我们将从具体的实际流动问题中提炼共性数学问题，建立合适的多尺度多物理数学模型，提出具有渐进保持性质和保正性质的新kinetic算法，并大大提高直接Monte-Carlo （DSMC) 方法的效率。同时，我们将新的kinetic算法推广到求解热力学非平衡效应、热化学非平衡效应和热辐射效应的复杂流动问题中；从数值和试验两方面完成对发展的新kinetic算法校核与评价。我们预期将借助于新算法所取得的成果，使我国太空飞行科学与工程计算的一些重要问题上的计算机数值模拟能力达到国际前沿水平。在这个领域中，我们的研究将为工程设计提供更加强大的仿真工具，从而获得最佳的设计参数，使其有助于重大航空航天技术的开发。

高超声速飞行器再入大气层过程中存在的多物理、多尺度输运问题，对指导飞行器工程设计和优化改进十分重要。本项目设计并研究的具有渐进保持性质和保正性质的新kinetic算法，在处理高超声速多尺度流动、热力学和热化学非平衡效应的复杂流动问题中优势明显，为我国航空航天工程设计提供更加强大的仿真工具。本项目严格按照申请书的研究目标执行，围绕主要内容展开研究工作，并取得可观的研究成果。我们发展了基于AP格式的多尺度新kinetic算法，克服了因为Boltzmann碰撞项的复杂性使得Monte-Carlo加速变得十分困难的问题，重点解决了考虑多组分、分子内能、考虑化学反应对碰撞项的影响，并提出了适用于新Kinetic算法的高效并行和高效网格自适应技术。我们通过对比（高）超声速风洞实验结果，成功论证了新Kinetic算法在捕获连续流区（高）超声速流动结构、激波相互作用及结构，以及凹腔内复杂涡系结构的精准性。本项目组还实现了新kinetic算法在若干航空航天领域高速气动问题的推广和应用，在航天院所项目的计算中，发展的新kinetic算法针对超声速光学头罩、导弹侧向喷流以及载入降落伞减速器的复杂外流场进行数值模拟，得到与DSMC算法一致吻合的结果但所消耗的计算资源远小于传统DSMC算法。本项目基本上完成了当时所提的所有研究目标，并在我国超声速飞行器设计和预测等实际工程问题中发挥了重要作用，使我国太空飞行科学与工程计算的一些重要问题上的计算数值模拟能力达到国际前沿水平，使其有助于重大航空航天技术的开发。