Численный анализ высотной аэротермодинамики космических аппаратов

• Автор: Ващенков, Павел Валерьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Алгоритмы эффективной параллелизации метода ПСМ

1.1. Оценка эффективности параллелизации метода ПСМ

1.2. Эмулятор параллельных вычислений методом ПСМ

1.3. Динамические алгоритмы

1.4. Сравнение эффективности алгоритмов

1.5. Локально-мостовой метод вычисления коэффициента теплопередачи

1.6. Оценка применимости локально-мостового метода

1.7. Выводы по главе

Глава 2. Моделирование обтекания космического аппарата “Клипер”

2.1. Параметры набегающего потока и геометрическая модель
2.2. Параметры расчета методом ПСМ
2.3. Результаты расчетов. Бескрылая модель
2.4. Влияние эффектов реального газа на аэродинамические характеристики
2.5. Результаты расчетов. Крылатая модель
2.6. Выводы по главе
Глава 3. Моделирование обтекания перспективной пилотируемой транспортной системы
3.1. Параметры набегающего потока и геометрическая модель
3.2. Результаты трехмерных расчетов методом ПСМ
3.3. Учет отклонения щитков в осесимметричной постановке

3.4. Результаты осесимметричных расчетов
3.5. Выводы по главе
Глава 4. Исследование особенностей течений разреженного газа около элементов космических аппаратов
4.1. Истечение струи из сопла в вакуум
4.2. Течение около кромки сопла
4.3. Моделирование обтекания носовой части КА “Прогресс”
4.4. Геометрия модели и параметры течения
4.5. Результаты расчетов
4.6. Выводы по главе
Заключение
Литература
Введение
Создание и использование космических аппаратов (КА) различного назначения требует детального знания их аэротермодинамических характеристик (АДХ) вдоль траектории полета еще на этапе проектирования. Большую часть срока службы КА находится на большой высоте, при свободномолекулярных условиях. При спуске с орбиты он проходит области переходного и сплошносредного режимов обтекания. В переходном режиме, на высотах порядка 100 км и ниже, вследствие высокой скорости полета, начинают проявляться реальные свойства газа: возбуждение внутренних энергетических мод и химические реакции. На этих высотах определяющими являются эффекты разреженности и сильной неравновесности течения. Экспериментальное моделирование таких течений довольно проблематично, и поэтому методы вычислительной аэродинамики разреженного газа в настоящее время являются практически единственным средством получения информации об аэродинамической обстановке около КА на больших высотах.
Различные режимы обтекания характеризуются числом Кнудсена Ivn = А/L, где А - средняя длина свободного пробега молекул, и L - характерный размер. Течение является континуальным, если число Кнудсена стремится к 0. При изучении таких течений можно пренебречь микроструктурой газа и использовать для расчета уравнения Эйлера или Навье-Стокса. При числах Кнудсена, стремящихся к бесконечности, режим течения можно рассматривать как свободномолекулярный. В этом случае столкновения молекул с поверхностью тела играют определяющую роль. При конечных числах Кнудсена необходимо также учитывать и столкновения молекул между собой. Такой режим течения называют переходным. Между континуальным и переходным режимом можно выделить “пограничную” область околоконтину-альных течений. Традиционно для расчета таких течений используются урав-
Определяется номер этой незанятой ячейки, и она присоединяется к области. Такое распространение области вдоль направления максимального потока частиц гарантирует, что максимальный обмен частицами будет происходить между ячейками, принадлежащими одному и тому же процессору.
- В случае, если область оказалась окружена другими областями и “свободных” ячеек по соседству нет, новый центр “жизни” выбирается случайным образом из числа незанятых ячеек.
- Цикл повторяется до тех пор, пока все ячейки не будут принадлежать своим процессорам.
Достоинство этого алгоритма в очень низкой величине дисбаланса загрузки, вследствие того, что наращивание области происходит по ячейкам, то есть, очень небольшими порциями.
Алгоритм “Подвижные границы”
В начальный момент времени область разбивается на равные по количеству ячеек подобласти вдоль какой-либо координатной оси. По формуле (1.3) вычисляется загрузка каждого процессора. Далее:
- Находится процессор, на котором выполняется максимальная работа.
- Среди ячеек, граничащих с подобластями других процессоров, ищется ячейка с максимальным потоком частиц через границу между процессорами.
- Эта ячейка передается другому процессору.
- Пересчитывается загрузка процессоров, и процесс повторяется, пока дисбаланс загрузки не станет меньше заданной величины.