高超声速滑移流机理微观数值模拟研究

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）方法与微观实验相结合，探索气体的壁面滑移流动机理。主要研究内容包括：气体分子在壁面附近的运动特性分析，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。同时，将数值模拟的结果与国内外同类实验进行比较验证。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。

近年来，随着航天、微纳机电系统以及真空技术的迅猛发展，有关稀薄气体动力学的一些基础性问题越来越受到人们的关注。其中，我们对气体与表面相互作用以及近壁面区域流动规律的认识还很不充分，而了解其中的机理，对航天飞行器和微纳米元器件的设计及制造都有着非常重要的意义。本文针对微纳尺度气体流动和气体分子在表面的散射分别建立了合理的分子动力学模拟方法，从微观的分子层面对稀薄气体流动机理和气体与表面相互作用机理展开研究，分析了壁面效应、温度效应及努森数对流动的影响规律；计算了不同条件下，气体分子对光滑和粗糙表面的切向动量适应系数（TMAC）、法向动量适应系数（NMAC）及能量适应系数（EAC），并对气体分子在表面的散射特性及能量交换规律进行了定量分析。. 项目系统而深入地研究了纳米通道内稀薄气体流动机理，着重对近壁面区域的气体流动规律进行了分析，发现了该区域的流动特性仅与气体- 表面相互作用性相关，流动相似性规律在该区域内失效，在纳米尺度气体流动中应将壁面作用力范围（1nm）作为一个独立特征参数加以考虑；发展了两种针对纳米尺度气体流动的切向动量适应系数计算方法，这两种方法分别从宏观和微观角度出发，互为补充，为研究纳米通道中气体分子对壁面的切向动量适应规律提供了强有力的工具；将通道内气体分子按法向速度方向进行分类，得到了分类后的两种气体分子在流场中的速度分布，首次发现纳米通道内的气体剪切流动可以分解为两个独立流动的规律，该发现直接证实了纳米通道内的气体流动非平衡效应的存在；建立了气体分子在表面上散射的分子动力学模拟方法，并采用速度采样方法将宏观的来流条件和微观的气体分子入射速度联系起来，解决了高速条件下气体分子对表面适应系数的计算问题。该方法扩展性强、计算量小，能够计算复杂情况下气体分子对表面的适应系数；定量分析了气体分子与表面的动量和能量交换机理以及气体分子速度分量之间的能量转移规律，指出了传统散射核模型的局限性，为构建更加符合物理实际的散射核模型打下了坚实的基础。