论文摘要：直角/非结构混合网格的DSMC方法及应用研究

高超声速飞行器在稀薄气体流域飞行的时间越来越长，流场的稀薄气体效应和非平衡现象对气动特性的影响规律显得越加重要，连续介质的研究方法已经无法准确预测高空高速气流中所发生的各种现象，而地面实验设备和相关测试技术有限，直接求解Boltzmann方程存在着巨大的困难，因此直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法已经成为研究稀薄气体动力学非常重要的手段，也是目前唯一获得巨大成功的方法。本文主要目的是通过研究稀薄气体流动的直角/非结构混合网格的DSMC数值算法，开发一套适用于任意复杂外形可模拟高超声速绕流、高空RCS喷流干扰以及羽流污染效应的通用计算程序。

本文在分析DSMC方法基本原理和主要模拟步骤的基础上，论述并推导了二元弹性碰撞中的力学机理和分子碰撞后速度的求解公式。研究了非弹性碰撞的物理化学模型，包括分子模型、转动和振动松弛抽样几率函数、L-B内能交换模型以及TCE化学反应模型，建立了分子非弹性碰撞的选择方法。

研究建立了稀薄气流直角/非结构混合网格DSMC方法的实现策略。在描述物面几何形状的非结构网格建立以后，直接将其嵌入到直角网格的流场中，使DSMC计算对流场网格的依赖程度大大降低。分子与物面的碰撞算法唯一确定了碰撞点的位置，实现了物面参数及整体气动力特性的精确模拟。为了提高流场计算精度，避免在网格内随机选取的碰撞分子之间的距离远大于当地的分子平均自由程，采用两级直角网格，一级网格（背景网格）是计算区域离散后的网格，二级网格为独立的碰撞网格和取样网格，是根据背景网格中密度梯度的变化各自独立的在三个坐标方向进行自适应后的亚网格，碰撞分子则在最小的亚网格内选取，以保证选取的分子是“最相邻的”。开展了区域分解的DSMC并行算法研究。采用了一种静态随机负载平衡技术，取得较为理想的并行加速比和计算效率。利用MPI库函数进行计算进程间的并行通讯，采用单指令流多数据流（SPMD）模式构建了DSMC并行代码。

开展了高超声速绕流的算例验证研究，通过模拟激波/边界层干扰及层流分离特性，计算的分离点和再附点位置与风洞实验数据有较好地的一致性。计算的CEV飞船从自由分子流到稀薄过渡流跨越150km范围内的气动力系数，与DS3V和DAC软件计算的结果最大偏差不超过4%。验证了本文算法和程序在高超声速绕流方面的模拟能力和模拟精度。

在稀薄气体热化学非平衡研究方面，模拟了M25和M45、Kn=0.01、0.05、0.25等不同飞行条件下热化学非平衡现象，系统分析了平动温度、转动温度和振动温度非平衡在不同来流条件下的演变规律，研究了化学反应对不同再入速度和飞行高度下转动和振动温度激发的影响以及对表面压力、摩擦力和热流系数分布的影响。

计算的不同压力比条件下三维平板模型侧向喷流与稀薄大气干扰的分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性，验证了本文算法的可靠性。开展了细长钝双锥外形高超声速稀薄来流与超声速/高超声速横向喷流干扰效应的研究，计算分析了不同飞行高度、不同飞行速度、不同飞行攻角、不同喷流推力下复杂流场结构和对气动力特性的影响规律。考察了RCS喷管出口参数不同（均匀/非均匀）对喷口附近分离涡和分离长度的影响。

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