高超聲速稀薄流的氣粒多相流動DSMC算法建模研究

李 潔，石于中，徐振富，王小虎

（國防科技大學 航天與材料工程學院，湖南 長沙410073）

0 引 言

在高超聲速稀薄流的氣體－顆粒多相流動中，由于流場的稀薄氣體效應顯著，連續介質假定受到限制，傳統的基于Navier－Stokes方程的CFD方法將不再適用［1］。隨著航天飛行器在高空的機動飛行和制動的需求發展，基于高空氣體－顆粒耦合流場的多相稀薄流動研究日益受到重視。國外早期Epstein［2］和Baines等［3］學者基于 Maxwellian或 Chapman－Enskog分子速度分布函數，研究了稀薄氣體中的單個球形顆粒所受的作用力和熱。這些理論研究工作為開展多相稀薄流的數值模擬奠定了良好的基礎。通常稀薄流動中的顆粒直徑較小，一般是微米量級甚至更小［4］，類似于氣體分子，顆粒具有質量、體積、位置、速度和內能，若將顆粒看作成某種類型的模擬分子，則可以將成功運用于解決稀薄流動問題的DSMC方法［5］延伸到模擬顆粒的運動。鑒于此想法，在前述學者的工作基礎上，Gallis等［6］利用Green函數，建立了適用于DSMC方法求解的在不同分子速度分布的稀薄氣相流場中顆粒所受到的作用力和傳熱模型。同樣，Zhang J等［7］利用DSMC方法研究Io星體上的火山羽流流動。上述研究工作均是假定顆粒是稀疏的，忽略顆粒的布朗運動，并且只考慮氣相對顆粒相的作用，忽略顆粒相對氣相的影響。此后，為克服上述不足，Burt［8］和Gimelshein［8］利用Gallis［6］推導的單個球形顆粒熱力學模型，基于分子動力學理論，構造了氣粒雙向耦合作用的熱力學模型，為多相稀薄流建立了較好的數學……