连续—稀薄混合流场的流动分区和算法搭建技术研究

【摘要】：依据流动Knudsen数的大小可将流动区域划分为连续介质区、速度滑移和温度跳跃区、过渡区和自由分子区,采用不同的方法研究不同区域的流动,应用于连续流的求解N-S方程的数值算法和应用于稀薄流的DSMC方法都分别在各自的领域获得了充分的发展和肯定。而许多流动现象可能既存在连续介质区,又存在过渡区、自由分子区,譬如高超声速钝体大气再入流场以及姿控发动机的高空羽流等。无论是高超声速钝体大气再入问题还是姿控发动机的高空羽流问题,地面实验和飞行试验的难度及花销都十分巨大,因此十分有必要建立数值仿真模型用于设计和改进。本文的研究目的是利用和改进现有的N-S方程求解程序与DSMC计算程序用于求解超声速、多尺度流动。首先介绍了所使用的计算连续流流动的N-S方程求解程序和求解稀薄流问题的DSMC方法的主要原理和实现方法及应用。对NS方程求解程序和DSMC方法求解程序进行了一些改进,实现了两种计算方法之间的数据传递。其次分析了混合算法程序所需要添加的计算模块,并通过编写程序实现各个模块的功能。主要的功能模块有四个,网格处理模块负责网格信息的读取、存储以及建立;两种算法所用网格之间的对应函数;分区判据计算模块利用商用软件或连续流求解程序得到的流场进行连续流失效参数的计算;区域划分模块利用计算得出的分区判据参数对网格进行划,确定连续—稀薄交界面,将计算网格划分为不同的计算区域,不同的区域有相应的计算方法进行流场的仿真计算;信息传递模块利用区域划分模块的结果在相应的网格进行信息的统计和不同算法之间的相互传递。最后介绍了一种应用于超声速定常流的混合数值仿真算法,介绍了混合算法的一般流程和实现方法。并将混合算法程序应用于一维正激波算例的计算,通过与DSMC方法计算结果、连续流求解方法计算结果相比较,验证了程序的有效性。
【关键词】：多尺度流动 混合算法 NS方程 DSMC方法
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V211