Finite Rate Chemistry Effects on the High Altitude Aerodynamics of an Apollo-Shaped Reentry Capsule

Numerical study of gas-solid interactions with large temperature differences based on molecular dynamics

“…， 即气体分子以确定的 初始条件(一般是入射速度)入射时，与壁面碰撞后的 反射速度满足的分布规律。 实验研究表明， 镜面反射和完全漫反射模型不足 以描述氮气(N2)、 氦气(He)分子在单晶硅(Si)表面的散 射 [2,3] 。1971年，Cercignani与Lampis构造了一个满足 归一化条件和互易性原理的相互作用模型 [4] ，分别为 气体分子反射速度分量建立散射核， 每个散射核中均 包含一个调节系数(AC)。如果壁面为各向同性，则可 以减少一个切向散射核； 剩下两个系数是切向动量调 节系数(TMAC)和法向能量调节系数(EAC)。1995年， Lord [5] 发展了这一模型，并将其应用于直接模拟蒙特 卡罗(DSMC)算法。因此，该模型被称为CLL模型， 是目前应用最为广泛的气固相互作用模型。 随着稀薄气体动力学 [6] 、微尺度力学的发展，对 123456-2 气固相互作用模型提出了更高的要求。 近年来不少学 者采用分子动力学(MD)方法或者与 MD 相关的混合 算法模拟气固相互作用过程， 建立更准确的散射核模 型,如 Yamanishi 等提出的多层次模型 [7] 、Yamamoto 等得到的 Maxwell 扩展模型 [8] 、Yakunchikov 等则修 正了 CLL 模型 [9] 。也有学者考察更真实物理条件对 散射核的影响，如 WashBorad 模型以考察壁面粗糙 度的影响 [10] ，Liang 等基于此建立了新的气固相互作 用模型 [11] ，比传统唯象模型准确，比 MD 模拟高效。 目前为止，散射核的研究仍然以经典模型，特别是 CLL 模型为基础展开。 CLL 模型应用的一大困难在于如何确定调节系 数的取值。调节系数不仅与气、固材料属性有关，也 与热力学状态有关。早在 1943 年，Thomas 等人采用 实验手段探究了气固之间存在 50 K 温差的情况下， 氩气(Ar)对铂(Pt)丝的调节系数，发现气体温度变化 对其影响较大 [12] 。2014 年，Reinhold 等采用 MD 方 法数值研究了不同温度下 Ar 在 Pt、Si 等固壁上的散 射规律，发现 TMAC 随温度呈指数次衰减规律 [13] 。 随后，Yousefi-Nasab 等针对稀有气体与聚合物表面 的工作发现了同样的规律 [14] 。这些工作中气体与固 壁的温度都保持相同，没有考虑气固温度差的影响。 2017 年，Yamaguchi 等采用 MD 数值研究了稀有气 体与固壁 Pt 存在 50 K 温差下调节系数的变化规律， 发现能量调节系数 EAC、 法向动量调节系数 NMAC、 TMAC 随气体质量增加对温度的敏感性表现出不同 的形式，Ar 相较于 Ne 对温度更敏感 [15] 。从实验和数 值上均发现温度对调节系数的影响较大， 然而目前的 研究大多针对气体与固壁等温或温差较小的情况展 开。而实际稀薄气体流动，如高超声速飞行器等重入 大气层边界会出现超高温， 周围绕流流场的空气温度 高达 4000 K 以上 [16,17] [1] ， ( )…”

Computational Flowfield Analysis of a Planetary Entry Vehicle

“…No lateral directional analysis has been taken into account in this work. CRV aerodynamic appraisal within FMF and transitional regime entails Direct Simulation Monte Carlo Method (DSMC) computations and a very simple relationship to bridge the transitional flow regime from continuum to FMF one (Pezzella et al, 2009). CRV continuum aerodynamics refers to both engineeringbased analysis and CFD-based analysis.…”

“…Therefore, this confirms that CMy is one of the most critical parameters within vehicle aerodynamic design. (Pezzella et al, 2009) where the normalized coefficient i C uses Knudsen number as the independent parameter:…”