网格尺度对真空羽流力热效应DSMC仿真精度影响研究

【作者】 吴成赓； 任翔； 贺碧蛟； 刘立辉； 蔡国飙；

【机构】 北京航空航天大学宇航学院宇航推进系； 北京应用物理与计算数学研究所；

【摘要】 航天器进行姿态控制、轨道转移多采用姿轨控发动机进行调节,发动机工作产生的高温高压燃气进入真空环境迅速膨胀扩散形成羽流,羽流与航天器相互作用可能引发复杂的力热效应,关系航天任务的成败。发动机羽流包括连续流区与稀薄流区,直接模拟蒙特卡洛方法(DSMC)基于概率使用少量的模拟粒子代表真实流场内数目众多的气体分子,通过统计平均获得宏观的流场参数,可实现稀薄气体流动问题求解,已成功应用于羽流效应的仿真计算。DSMC仿真中通常采用局地分子平均自由程确定网格尺度,网格尺度的合理选取对计算准确性与计算效率影响极大,但过于精细的网格尺度虽能保证计算精度,但在开展大规模工程化应用中受计算时间与计算资源的限制可行性有限。本文采用基于DSMC方法的自编程软件,针对10N发动机羽流在近距离固壁表面导致的力热效应开展仿真计算,分析了壁面气动压强与热流密度对网格尺度的敏感性,评估了不同网格尺度(相对局地分子平均自由程的0.25倍、0.5倍、1倍、2倍、3倍)对仿真精度的影响程度,研究了粗网格尺度下的仿真误差产生机理,提出了适用于真空羽流力热效应仿真计算的网格准则。更多还原