间断量子非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法与新一代飞船再入跨流域气动力热模拟

【作者】 李志辉； 吴俊林； 彭傲平； 李凡；

【机构】 空气动力前沿技术研究中心国家计算流体力学实验室； 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所；

【摘要】 随着国家超级计算机与统计物理复杂系统流体力学计算技术进步,发展可靠模拟新一代载人飞船返回舱再入各流域空气动力学绕流问题超大规模并行算法,是载人航天飞行器设计与调姿配平关键基础。本文在前期开展Boltzmann(玻尔兹曼)方程碰撞积分物理分析与可计算建模气体动理论统一算法框架下,研究引入内自由度平动、转动、振动松弛模型,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,基于能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,推导描述多原子分子弹性与非弹性碰撞松弛变化的双时间尺度碰撞频率表达式,将Boltzmann方程碰撞积分模型化为弹性与非弹性碰撞项,非弹性碰撞项按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛和平动-转动-振动能松弛,构造了含间断量子效应振动能激发的各流域统一Boltzmann模型方程,并经归一性、守恒性和H定理证明。研制适于任意马赫数高超声速流动模拟满足Boltzmann方程守恒条件的离散速度坐标法与宏观流动量动态确定离散速度数值积分规则。应用拓展计算流体力学有限差分法LU-SGS隐式迭代原理,构造直接求解离散速度分布函数演化更新的气体动理论隐式并行数值格式;遵循物面质量流量通量守恒和分子平动能与内部能量平衡关系,发展计及热力学非平衡效应基于气体分子速度分布函数演化更新对高超声速流场边界与气面相互作用统一表述数学模型及数值处理方法,建立表征热力学非平衡效应Boltzmann模型方程求解新一代飞船返回舱再入各流域高超声速绕流问题气体动理论统一算法。发展基于物理空间与速度空间两相六维空间区域分解并行化计算策略,在小、中、大规模64～1024、1024～8000、4950～20625CPU及众核异构计算机500～45000处理器并行算法测试,获得拟线性加速与90%以上并行效率,通过对第一到第二宇宙速度高超声速非平衡圆柱绕流、多类飞船返回舱再入气动力/热问题大规模并行计算与算法验证,证实Boltzmann方程可计算建模气体动理论统一算法在求解回收类航天器如近地空间站、星际运输任务返回再入各流域高超声速气动力/热绕流问题的精度与可靠性,揭示高稀薄流到连续流复杂绕流现象与流动变化规律,可为新一代载人飞船返回舱再入跨流域气动设计提供新途径与应用研究平台。更多还原