飞行器稀薄气体流动求解(RARE)

应用价值

随着飞行器飞行高度逐渐增高，当高度超过70km左右时，稀薄效应明显。此时连续介质假设失效，传统的连续流方程(NS方程)和相应的CFD方法已经失效。流动参数(密度、速度、压力等)的演化由反映稀薄效应的模型给出，其中，DSMC(直接模拟蒙特卡洛)方法能反应这种效应。

目前市面上流体力学计算软件主要是基于连续介质假设的CFD方法，没有基于DSMC方法的成熟商业软件。因此，需要一套基于DSMC方法，计算高空稀薄大气中飞行器流动特性的软件。RARE软件可以模拟飞行器在128km以上的自由分子流区、穿越70-128km的过渡区以及在其中巡航时的流场稀薄效应问题。涉及的领域涵盖高超声速巡航飞行器、

空间站、返回舱、姿控发动机等。

用途

有稀薄效应的高空(连续流、过渡流和稀薄流)和高速流动计算，需要的网格和输出的信息，类似于CFD。可与连续流软件进行对接，进行连续流稀薄流耦合计算；也可直接用于计算连续流，因为连续流是稀薄流的特殊情况。

特点

与连续流CFD软件相比：操作方式和设置基本类似(如网格构造，后处理接口等）

目前状态：虽然存在大量稀薄流计算的程序，但软件化的稀薄流计算工具尚未达到CFD软件程度

并行功能：支持大规模并行计算。

耦合功能：支持与连续流软件进行实时耦合计算。

原理

RARE软件的基本原理是用一个模型分子代表大量真实气体分子，跟踪模拟分子的运动和碰撞，记录不同时刻分子的位置、速度和内能，并根据分子的移动、与壁面的碰撞、以及分子之间的碰撞，时时改变这些微观物理信息。最终对每个网格中的模拟分子进行采样平均得到宏观流场信息。

分子模型采用VSS变径软球模型，可以有效模拟分子运动与碰撞，气体的粘度-温度幂律以及多组元扩散。同时引入了Larsen-Borgnakke唯象论模型以模拟分子的转动能和振动能激化。

壁面模型提供了用于模拟对称面和无粘壁面的镜面反射模型以及用于模拟粘性等温/绝热壁面的Maxwell漫反射模型。

功能

支持单区或多区结构网格，具备图形化前处理功能；可读入并显示空间网格；具有气体模型设置、边界条件设置、初始条件设置、求解选项、结果监视与输出选项等前处理定义模块。具有简单易行的流程化操作界面。

具有基于DSMC方法的空间流场计算模块。支持二维和三维流动；支持定常与非定常流场；可计算无粘和有粘流动。支持大规模机群并行运算。

模块

DSMC流动求解模块：针对给定的气体模型、空间形状、边界条件等，对流场参数演化规律进行求解。

前处理模块：通过流程化操作界面定义求解模块所需的变量与选项，其中包括气体模型、空间网格、边界条件、迭代监视选项、收敏判据等。

并行计算模块：采用MPI并行处理技术加速收敛，自动进行负载平衡，分区边界无需人工干预。

宏观量统计输出模块：输出TECPLOT格式的宏观量统计平均结果。

稀薄-连续耦合计算模块：实现稀薄流-连续流耦合计算。