考虑高温非平衡效应的滑移流气动热并行计算研究

Hypersonic slip flow plays an important role in investigation for high altitude craft.flow, which is obviously administrated by molecule state near the wall. For the sake of.understanding this process, this project is to simulate it by Molecular Dynamics method (MD) with a back ground of rarefied hypersonic craft. The main purpose is to get the detailed process for molecular bouncing, to get the gas/surface accommodation coefficients and influence factors, to get the relations for slip effect and friction/heat transfer, to get the influence by solid surface shape in sub-macroscopical scale. Another inspect in this project is to complete measurement of slip flow field near the wall, for validation with results of MD simulations. Through above investigations, we hope the results could show a more clear view of slip flow and get accurate accommodation coefficients, which is be benefit to macroscopical CFD simulation and engineering design.

高超声速滑移流动机理是临近空间飞行器气动特性研究中亟待解决的重要基础性问题，它与气体分子在壁面处的运动状态密切相关。为深入研究稀薄滑移流动机理，本项目针对高空稀薄、略稀薄区域高超声速飞行器的壁面滑移流，采用分子动力学（MD）方法，探索壁面滑移流动机理。分析气体分子在壁面附近的运动特性，气体分子在壁面的动量适应系数及其影响因素，滑移效应与壁面摩阻\热流的联系，研究壁面纳米构型对滑移效应的影响。结合文献实验结果，同分子动力学方法结果进行比较验证。通过上述研究深入理解滑移流动机理，为滑移流动条件下的宏观流场数值模拟和工程计算中的壁面滑移参数确定和系数取值提供指导和参考。

壁面滑移流动机理是稀薄气体流动研究中亟待解决的基础性问题，它与气体分子在壁面处的运动状态密切相关。本文对气体流动的壁面滑移机理和气体分子与壁面相互作用规律进行了分子动力学模拟研究。. 针对稀薄气体效应下的滑移流动，建立了二维分子动力学模拟（2DMD）程序，将其应用到气体分子壁面碰撞与微尺度通道流动计算中，将模拟结果和文献结果及解析解进行对比和验证，表明分子动力学模拟方法能够很好地模拟气体的壁面滑移流动，验证了所编制分子动力学模拟程序的正确性。.针对气体分子和壁面的相互作用，采用不同壁面模型，调节势能作用和壁面温度的大小，构造壁面粗糙度的纳米构型，得到气体分子在不同条件下的运动轨迹、反射速度分布以及动量适应系数；发现气体分子在表面有三种典型反射行为：直接反射、多次碰撞反射以及吸附后反射；揭示了气体分子入射速度、势能作用以、壁面温度以及壁面纳米构型对气体分子与表面相互作用规律的影响。. 针对Couette气体流动模型，改变模拟参数，得到流动在不同气体分子数密度、势能系数、壁面温度及粗糙度下的速度和数密度分布；对模拟结果的分析表明壁面滑移和近壁区域的气体分子数密度有着密切的联系，近壁区域分子数密度越小，滑移越明显；势能系数和壁面温度会造成近壁区域气体分子数密度的改变，从而影响气体流动的壁面滑移大小；壁面粗糙度在一定程度上能够抑制滑移的产生。. 通过课题开展的相关研究，获得软件著作权1项，军队科技进步二等奖1项，支撑1名博士学位论文工作，毕业硕士1名；针对滑移流动建立的分子动力学模拟程序，为理解气体分子在壁面附近的运动特性提供了有力的工具；所开展的滑移流动机理研究，为滑移流动条件下的宏观流场数值模拟和工程计算中的壁面滑移参数确定和系数取值提供指导和参考。