报告主题：航天跨流域空气动力学数值模拟方法与应用研究
报 告 人：李志辉 教授（中国空气动力研究与发展中心)
报告时间：2014年11月7日（周五)13:30
报告地点：延长校区应用数学和力学研究所
主办部门：理学院力学所
报告摘要： 连续流到外层空间高稀薄自由分子流高超声速间断粒子效应气动热力学问题？一直是国内外学术界和工程应用部门相当关心的问题。本讲座结合报告人二十余年航天流体力学研究经历，分别从微观、介观、宏观描述气体流动的三个层次，介绍开展跨流域空气动力学内外流动数值计算研究的几种手段途径及在解决航天工程需求应用进展。报告分四部分：
Monte Carlo主要模拟步骤、DSMC方法中非弹性碰撞的物理化学建模方法，包括分子模型、转动和振动松弛传能、内能交换、化学反应模型等及在航天器再入气动力/热问题，包括应用研究进展。
Boltzmann(速度分布函数理论出发，通过对Boltzmann方程碰撞积分物理分析与可计算建模，确立描述各流域复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程；提出模拟不同流域复杂多尺度流动问题气体动理论离散速度坐标法；将计算流体力学有限差分方法推广拓展到基于时间、位置空间和速度空间Boltzmann模型方程数值求解，构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式；研制适于高、低不同马赫数绕流模拟的离散速度坐标点选取和离散速度域自动控制计算技术，提出基于分子速度分布函数离散表示物理空间各类宏观流动参数的离散速度数值积分法与动态确定计算规则；建立求解从外层空间高稀薄自由分子流到近地面连续流各流域复杂流动问题统一算法理论与稳定运行于数千数万CPU高性能可扩展大规模并行算法应用研究平台。包括统一算法在飞船返回舱、卫星体再入飞行绕流、近空间飞行器跨流区气动力/、海量箔条跨大气层飞行、大型航天器陨落解体多体绕流问题及MEMS在天宫飞行器低轨控空气动力特征计算建模研究进展。传统轨控认为，飞行器在200公里以上，气体分子平均自由程达数百米以上，属于完全自由分子流，而采用固定阻力系数2.2，如公里飞行所受大气阻尼系数是否变、如何变？针对天宫飞行器非规则板舱组合体发展可靠模拟不同高度、不同攻角与侧滑角及不同复杂大尺度外形高超声速空气动力特性快速计算方法；通过将DSMC方法与求解Boltzmann模型方程气体运动论统一算法应用于天宫飞行器简化外形气动力当地化关联参数计算修正，建立针对大型复杂结构天宫飞行器低轨道飞行动力学控制过程空气动力特性一体化快速算法应用研究平台。通过对大尺度园柱体外形与天宫飞行器300~200km不同高度变轨飞行过程不同攻角与侧滑角及帆板平面与本体主轴不同夹角复杂构型气动力特性计算分析验证，表明天宫飞行器在200公里以上低轨道飞行控制过程，所受空气动力系数随飞行高度发生显著变化8%~50%，证实长期在轨运行的大型航天器若采用统一固定的气动力系数，误差累积巨大，需要采取防护措施，低轨道飞控大气阻力仍是制约航天器定轨预报精度关键因素。
