粉尘在气流中的扩散运动数值模拟研究

admin · 发表于 2022-9-25 12:51:38

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我国探月工程第二阶段的关键技术是实现月球探测器的软着陆，在探测器软着陆过程中缓冲发动机羽流激起的月壤可能会衰减导航敏感器件的探测信号，甚至导致其无法正常工作。发动机喷流激起的月壤沉积在设备或探测器表面，形成多种不良影响；激起的月壤造成的视觉模糊，严重影响探测器的安全及准确着落，因此探月过程中必须考虑月壤对探测器的影响。本文以缓冲发动机羽流与月壤气固两相流场为主要研究内容，利用计算流体力学方法(Computation Fluid Dynamics, CFD)对两相流场进行数值仿真研究。首先，对缓冲发动机喷管内流场进行数值计算。对喷管壁面网格进行等比加密，采用AUSM空间分裂格式对高温、高速的可压缩流场进行离散，得到喷管内燃气的流动特性，数值计算过程稳定。接着，以喷管出口参数为喷流流场的初始计算边界条件，结合移动网格技术，将月面设为运动边界条件，实现探测器的下降过程。采用采样粒子方法，以及风沙两相理论中颗粒的起动风速公式和起尘量公式，模拟月壤的激起及飘扬物理过程。利用离散相模型(Discreet Phase model, DPM)进行数值计算，将发动机喷流作为连续相，月壤作为离散相，进行气固两相的耦合计算，得到月壤在发动机喷流中的扩散运动分布。对月壤的运动轨迹进行计算，并分析月壤的起跃角度受稀薄环境的影响，同时分析了月面地形对月壤运动的影响。最后，对月壤采样粒子进行统计还原，数值计算结果以云图形式体现。结果表明，在探测器下降至月面1米后，探测器周围充满了飘扬的月壤，并且飘扬的月壤向月面两侧运动。计算结果与国外文献记载基本吻合，表明该计算方法基本可靠，可为工程应用提供参考依据。

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