题目：发动机喷管及羽流流场N-S/DSMC耦合求解研究

空间发动机在太空环境工作时，喷流向外部真空环境自由膨胀形成真空羽流。真空羽流会对航天器产生沉积污染、气动力、气动热、电磁干扰、视场干扰等羽流效应,造成航天器表面敏感元件工作性能下降或受损、航天器姿态轨道控制不准确、航天器寿命缩短等不良后果，严重时甚至会导致航天任务失败。因此羽流效应防护一直是航天器设计中非常关注的问题。

数值仿真是研究羽流效应的重要手段。为研究发动机真空羽流产生的各种效应，首先必须获得羽流流场。羽流流场与发动机喷管内流场密不可分，二者必须作为整体进行研究。从发动机燃烧室到外部真空环境气体的稀薄程度变化显著，难以使用单独一种计算方法对整个流场进行模拟，这给仿真分析发动机羽流流场带来了困难。以往羽流仿真中通常采用Navier-Stokes (N-S)方程与直接模拟蒙特卡罗(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)方法解耦方式的混合算法，然而解耦算法存在难以保证精度和计算效率低等问题。为准确且高效地对发动机真空羽流流场进行建模和仿真分析，本文开展了用于发动机喷管及羽流流场仿真的N-S/DSMC耦合求解研究。

对稀薄气体动力学、DSMC方法及计算流体力学的主要理论进行了梳理，为耦合理论的研究和求解器的开发提供理论基础。

对N-S/DSMC耦合理论开展了深入研究，一方面从分析Boltmzann方程矩方程与N-S方程关系的角度出发，揭示了微观理论与宏观理论间的区别及联系；另一方面对N-S/DSMC耦合方法中耦合界面定位和信息传递方法两个关键问题开展深入研究。经理论分析及数值仿真测试，确定采用KnGL与Ptne结合的连续失效参数来判断连续假设失效的界面。经对比分析确定采用state-based耦合方法实现宏观参数与粒子信息的传递，并提出了适用于N-S/DSMC耦合算法的重叠网格方法，使得N-S方程求解与DSMC计算可采用不同网格。基于Schwarz交替法确定了总体的耦合计算流程。

介绍了DSMC计算软件PWS，并在此基础上增加了可变粒子权重功能，使其应用于发动机真空羽流计算时适用性更强、效率更高。适应N-S/DSMC耦合计算的特点开发了二维/轴对称通用N-S方程求解器NozzleFlow。基于PWS与NozzleFlow，研究了计算域划分、宏观参数实时统计等耦合相关功能，最终构造了二维/轴对称坐标的N-S/DSMC耦合求解器。通过与一系列算例的理论解或试验数据进行对比验证了耦合算法及求解器的正确性。

使用本文开发的N-S/DSMC耦合仿真程序分别对5N锥形推力器和60N钟形发动机的自由羽流场开展了耦合仿真研究，实现了从燃烧室到羽流场的整体计算，耦合程序合理地划分了连续和稀薄计算域，获得了推力器内流及外部真空羽流的流场参数。分析了加装羽流隔板对60N发动机羽流反流的影响。

使用当前N-S/DSMC耦合求解器对探月上升器起飞过程中两种羽流导流机构的导流效果开展了仿真研究，分析了尺寸缩比工况下使用不同导流机构在不同起飞高度时羽流场的变化规律。将仿真结果与羽流导流缩比试验结果进行了比较，验证了耦合仿真的准确性。对实际尺寸上升器羽流导流的计算进一步验证了缩比工况获得的规律，并很好地展示了N-S/DSMC耦合求解器在分析实际工程问题中的优越性。

本文发展的N-S/DSMC耦合算法在耦合理论方面有所创新，计算程序的准确性经过了充分验证。无论对于发动机真空羽流效应的实际工程问题研究，还是对于包含跨流域流动的气动问题研究，都具有很好的应用前景。