高超声速再入飞行器非平衡流动的混合网格数值模拟

"基于混合网格上的高温非平衡流的数值模拟 (2005年)" 本文主要探讨了在解决新一代再入飞行器和空间传输系统的气动与热力学问题中的数值模拟技术。研究背景是为了理解飞行器在高超声速再入大气时遇到的严重气动加热现象。这一现象在飞行器设计中至关重要，因为它直接影响到飞行器的结构完整性与安全性。 作者刘学强和伍贻兆采用了一种混合网格方法和Osher逆风格式来数值求解三维化学非平衡Navier-Stokes方程。Navier-Stokes方程是流体力学的基础，描述了流体运动的连续性、动量和能量守恒。在这个特定的应用中，由于涉及到高温、低密度和非平衡流动，因此求解变得极其复杂。 混合网格方法结合了不同类型的网格（如规则网格和不规则网格），能够在保持计算精度的同时，有效地处理复杂的几何形状，例如带座舱飞船的形状。这种技术能够更好地捕捉流场的细节，尤其是在边界层和湍流区域，这对分析气动加热至关重要。 Osher逆风格式是一种数值方法，它在处理激波和其他流体中的强烈扰动时表现出色。这种格式可以有效地避免数值振荡，从而提高计算的稳定性。 研究中使用的化学模型是基于5组分17个化学反应的空气模型，这能够更准确地模拟高超声速流动中的化学反应过程。这些反应在高速流动中起着关键作用，因为它们影响了气体的物理和热力学性质，如密度、压力和温度。 论文对马赫数分别为20和10的再入高度为40公里的带座舱飞船进行了数值模拟，考虑了不同迎角（0°和20°）的情况。通过比较各个组分的密度分布和压力参数，可以评估飞行器表面的热负荷和压力分布，这对于飞行器的设计优化至关重要。此外，他们还对比了化学非平衡流动和理想完全气体的计算结果，以验证模型的准确性。 这篇论文展示了在高超声速非平衡流动问题上的最新进展，强调了混合网格和高级数值方法在解决实际工程问题中的应用价值。这项工作对于推动再入飞行器和空间运输系统的设计与发展具有重要意义，也为未来类似问题的数值模拟提供了参考。