采用分子动力学理论导出系统熵与熵产率的计算公式,识别高超声速稀薄流非平衡区域。根据熵产与非平衡现象的基本关系,确定了衡量气体非平衡态的判断方法。由于熵产率参数存在局限性,提出了一种熵产克努森数(Knudsen number)作为气体非平衡态衡量参数,与局部克努森数相结合作为非平衡态判据。基于两种非平衡判据相结合的策略,发展了一套高超声速流场非平衡区域识别与网格自适应重构的DSMC(direct simulation Monte Carlo)计算方法。对典型非平衡流场进行模拟,数值结果表明:所提出的识别参数能精准识别全流场中的非平衡效应,识别率达到了99%以上。在此基础上重构非平衡区域网格,计算得到的流场宏观量相对误差小于3%,壁面气动参数相对误差小于5%,证明了自适应重构方法的有效性。
针对火星独特的CO_(2)稀薄气体环境以及探测器高超声速进入火星过程中的高温真实气体效应,研究了CO_(2)多振动模式的激发特性。采用非结构网格和直接模拟蒙特卡洛法(Direct Simulation Monte Carlo method, DSMC),基于非谐振子振动激发模型,通过将CO_(2)离解能均分到4种振动模态,进而限制各模态最高振动能级,模拟了含CO_(2)的5组分17反应的高温稀薄真实气体化学反应模型。计算了“火星探路者”在火星大气环境65 km高度、进入速度为7 453 m/s、攻角为0°下的高温化学非平衡效应流场。结果表明:CO_(2)在激波后大量分解并消耗大量能量;迎风面激波中各组分占比与探测器物面特性等均与文献结果相符,证明了本文对于CO_(2)振动激发处理方法的可行性。在此基础上加入N_2组分,模拟火星大气8组分44基元化学反应流场,通过改变来流密度与马赫数分析了流场特性的变化。结果表明:随着来流密度减小,流场温度呈现先增加后减小的趋势,物面热流密度增大;来流马赫数增加使得流场温度和压力上升,物面热流密度提高但是热流密度系数变化幅度很小。
