天河算道论坛：高端装备复杂流场CAE技术发展创新论坛-专家精彩报告回顾（二）

---

本期解读中国航天空气动力技术研究院深空探测领域总工程师题为“宽速域跨空域复杂流动气动仿真技术”的报告内容。

程晓丽，中国航天空气动力技术研究院研究员，深空探测领域总工程师，长期从事计算空气动力学仿真技术研究，现任计算空气动力学、高超声速等专委会委员。曾获国防科技工业“巾帼建功”标兵、探月三期优秀个人等荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴，发表文章200余篇。

一、深空探测气动分析基础

深空探测气动分析过程中主要有三方面特点，一是宽速域，在宽速域，高超声速情况下，气体会发生离解和电离，存在高温真实气体效应；二是跨空域，由于高度的不同，需要经过不同的流区。飞行器在经过稀薄流区时会有几种典型现象：壁面滑移、干扰区增厚、激波位置变化、翼体干扰变化等；三是复杂流动，飞行器伴随的流动现象是较为复杂的，例如由复杂外形导致的激波、边界层和粘性干扰，与稀薄效应密切相关的发动机羽流现象等。

二、复杂流动气动仿真基本方程和求解方法应用

目前，在宽速域、跨空域、复杂流动现象下，Boltzmann方程既是描述气体运动论的基本方程，也是描述非平衡态问题最早、最基础的理论。一般求解方法是，在离散的网格上，构造逼近流动控制方程的近似离散方程，其核心技术主要在于离散数值格式的构造。

在传统数值格式中，根据耗散项的构造方式不同，主要分为FVS类、FDS类、中心类以及混合类等，均在商业软件中得到了广泛的应用。而在更为精细的流动模拟中，诸如ENO/WENO、DG、SV/SD等的高阶数值方法则显得更为有效。但由于计算稳定性较差，该类方法在面向实际复杂问题的工程应用中受到一定限制。

在实际应用中，稀薄流领域的数值求解算法是业界的研究热点之一，程晓丽团队常采用的是直接模拟（DSMC）方法。DSMC方法具有从一维向二/三维转换容易、容易实现化学反应和自由度的激发、易于有效并行计算的优点，同时具有计算耗内存、耗时的缺点，这对计算的硬件环境提出了更高的要求。

三、深空探测典型应用案例

① 实例一：探月返回舱

探月返回舱方面，由于高温真实气体效应对于激波形状具有微弱影响，导致了物面压力的分布差异，进而导致其配平角存在偏差。此外，高温真实气体效应还会造成飞行器升力、阻力、升阻比增大的现象。在稀薄环境下，对于气动性影响较大的是物面适应系数，其切向动量和法向动量适应系数对于飞行器配平特性影响较大。

图1  4个沿轨道点真实气体和完全气体情况

俯仰平面内的流线及物面极限流

（图片来源：李俊红, 潘宏禄, 程晓丽. 真实气体效应对返回舱气动力特性的影响[J]. 力学与实践, 2013(03):27-34.）

② 实例二：火星探测器

在火星探测器进入火星大气过程中，如不考虑高温真实气体效应，小攻角进入时存在两个静不稳定区域，此时如采用简化模型，将不能捕捉到这两个静不稳定区域，会对飞行器的安全造成影响。另外，火星探测器由于其特殊的气动外形，其在气动热方面也有独特特点。此外，由于火星探测器大底外形是一个锥形，在20°攻角的情况下，其迎风区会形成一道滞止线，而不是传统意义的指滞止点。

图2  0°攻角的对称面温度云图和流线

（图片来源：吕俊明, 程晓丽, 王强. 火星科学实验室气动特性数值分析[J]. 力学与实践, 2013, 35(1):31-35.）

四、结束语

航天技术不仅是我国科技实力的体现，同时也是我国综合国力、国际威望的重要展现。气动仿真技术作为我国航天高端技术自主创新的孵化器，是我国航天强国建设的基石。而在气动仿真过程中，采用类似DSMC等数值求解算法，对于计算性能和效率有较高要求。

国家超级计算天津中心作为首批国家级超级计算中心，部署有TOP500排名第一的“天河一号”超级计算机和“天河三号”新一代百亿亿次超级计算机原型机系统，具有强大的计算资源，能够有效满足气动仿真设计的计算需求。国家超级计算天津中心，依托国家重点研发计划“高端装备复杂流场自主CAE一体化平台”项目，全力支持航天飞行器复杂问题的气动性仿真，助力我国航天事业发展。