[發明專利]一種基于原子碰撞能量傳遞的飛行物體駐點熱流統計方法

在審

• 申請號: 202211523453.3
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN115758943A
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 韓權;夏海濤;田嘉全;伍根生;馬晨波
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于原子碰撞能量傳遞的飛行物體駐點熱流統計方法。該方法包括：分子動力學方法模擬物體在氣體環境中高速飛行過程，輸出所有可能與物體前表面發生碰撞的氣體原子的坐標、速度、勢能信息，定義氣體原子與固體表面的一次碰撞事件為：進入氣固界面吸引力層(入射點)，排斥力層內轉向(碰撞點)，離開吸引力層(反射點)；根據氣體原子入射和反射時刻的能量，得到單次碰撞氣體原子與表面之間傳遞的能量，遍歷統計時間段內不同原子與表面的碰撞事件，得到物體飛行過程中前表面受到的駐點熱流。本發明提出了一種基于氣固界面原子碰撞能量傳遞進行駐點熱流統計的方法，有利于開展各類流動中的壁面傳熱問題的機理研究。

技術領域

本發明屬于高速飛行物體氣固界面能量傳遞微觀機理研究領域，涉及到一種基于氣固界面原子碰撞能量傳遞的駐點熱流統計方法。

背景技術

各位飛行器的峰值熱流通常發生在鼻錐和機翼前緣的駐點區域，常用駐點熱流來衡量氣動加熱的大小。當飛行條件處于過渡流時，連續流中牛頓粘性定律和傅立葉定律開始失效，基于納維-斯托克斯方程的駐點熱流計算方法不可避免地出現偏差，此時需要考慮壁面邊界條件。氣固界面相互作用是各類稀薄流問題中的重要的力學基礎，氣固界面相互作用中的能量傳遞直接決定了壁面熱流大小，發展一種基于氣固界面原子碰撞能量傳遞的熱流統計方法具有重要科學價值和意義。在深入理解氣固界面原子碰撞能量傳遞機理的基礎上，考察不同碰撞事件中能量輸運量的統計學特征，用于探究飛行器氣動加熱的微觀機理，可用于指導各類熱防護系統表面結構設計，具有重要現實意義。

發明內容

為了深入研究飛行器在不同速度下氣動加熱效率與機理，有必要從原子碰撞傳遞能量的角度分析表面駐點熱流的大小。本發明提供了一種基于原子碰撞能量傳遞的飛行物體的駐點熱流統計方法。該方法不僅可以準確計算飛行物體的駐點熱流，還可以用于各類管道流動、平板流動問題中的壁面熱流計算。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：在VMD軟件中，建立物塊在氣體環境中的分子動力學模型，利用SMD方法牽引物塊在氣體環境中以一定速度沿特定方向運動；體系達到穩態后統計一定時間范圍內的氣固界面原子碰撞事件，根據每次碰撞傳遞的能量計算單位時間內物體表面受氣體原子碰撞產生的駐點熱流。具體操作過程如下：

(1)在VMD軟件中建立微納尺度物體在單原子氣體環境中高速飛行的分子動力學模型，輸出分子動力學模擬所需要的位置和結構文件，在NAMD軟件中先后進行能量最小化、能量平衡和SMD模擬，實現牽引物體高速運動過程的模擬，系統達到穩態后輸出包含某一時間范圍內所有可能與物體前表面發生碰撞的N個氣體原子的坐標、速度、勢能信息的dat文件。

(2)讀取步驟(1)中的dat文件，將M個時刻下N個氣體原子的坐標矢量、速度矢量、勢能寫入一個M×(7N+1)的矩陣中，矩陣第1列為時間，第7n-5到7n+1列分別為原子n的xyz方向坐標、xyz方向速度和勢能。

(3)根據步驟(1)中長方體物塊截面尺寸和氣固界面原子相互作用Lennard-Jones作用勢的含義，輸入物塊截面尺寸W×E，LJ勢截斷半徑dcutoff，表現為排斥力的距離drep；定義氣體原子在排斥力層發生轉向為碰撞點，碰撞點坐標滿足以下條件

(4)根據步驟(3)中的碰撞時刻，前序搜尋氣體原子與物體前表面距離第一次大于等于截斷半徑的時刻，記為入射點，由碰撞時刻后序搜尋氣體原子與物體前表面距離第一次大于等于截斷半徑的時刻，記為反射點，反射點和入射點同時存在則記為一次碰撞事件。

(5)根據步驟(4)，計算氣體原子的入射能量Ein和反射能量Eout，能量之差DE＝Ein-Eout即為單次碰撞事件中氣固界面傳遞的能量，遍歷N個原子在M個時刻中的碰撞事件，對所有碰撞事件傳遞的能量求和得到總能量E，除以截面面積A和統計時間長度Dt得到飛行物體駐點熱流：q＝E/A/Dt；