跨流域高超声速气动环境——结构动态热力耦合一体化算法与航天器再入解体模拟
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摘要
如何准确可靠求解大型航天器寿命末期从外层空间无控陨落再入过程强气动力热环境致金属桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器任务完成后末期再入坠毁飞行航迹预报研制关键。本文介绍如何从Boltzmann方程碰撞积分物理分析与模型化研究出发,建立非平衡输运气体动理论统一算法及其与结构热力响应有限元算法耦合模拟技术,在无控陨落航天器再入解体可计算建模研究进展。在求解Boltzmann模型方程统一算法(GKUA)基础上,通过对转动能松弛Rykov模型研究,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程。发展适于跨流域高温气体动力学问题模拟的离散速度坐标法,构造直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,建立求解Boltzmann模型方程高性能并行算法与适于航天器陨落解体跨流域多体绕流问题计算平台。通过对不同Knudsen数类天宫飞行器器两舱体跨流域高超声速绕流问题大规模并行计算与稀薄流DSMC、过渡区N-S/DSMC耦合算法、近连续流区滑移N-S解算器及风洞实验验证,证实GKUA求解大型航天器陨落各流域及多体气动力/热问题准确可靠性。针对无控航天器陨落问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立适于航天器再入强气动力热环境致结构变形/失效动态热力响应隐式有限元算法。结合发展复杂结构航天器高超声速再入非平衡流DSMC-NS方程耦合模拟、气动热环境与复合材料热解烧蚀计算手段,建立适于大型航天器寿命末期陨落再入各流域气动力热一体化计算与再入烧蚀/结构变形失效/解体预报分析模拟系统。
引文