【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高超声速非平衡流动气动加热微观机理研究领域，涉及一种通过速度分布函数来统计热流密度的研究方法。
技术介绍
1、高空高速飞行器的飞行过程往往伴随着稀薄气体效应、非平衡效应等，激波层乃至边界层内的气体速度分布都有可能偏离平衡态分布，导致经典的纳维-斯托克斯方程和傅里叶定律难以准确计算飞行器的表面热流密度。此外，在传统计算流体力学模拟中难以获得气体速度分布函数及其偏离平衡态的程度，高超声速流动中非平衡效应对表面气动加热的影响规律尚不清晰。分子动力学模拟方法以原子间相互作用和运动方程为基础，能够准确描述高超声速流动中的气体运动规律、激波结构和分子速度分布等现象。通过分子动力学从原子尺度模拟高超声速流动，研究气体分子速度分布函数及其与表面热流密度的关系，对理解高超声速气动加热机理具有重要意义。
技术实现思路
1、为了探究高超声速流动中非平衡效应对表面气动加热的影响规律，拓展分子动力学(md)方法在热流统计方面的应用。本专利技术提供了一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法。该方法结合了分子动力学模拟与统计分析技术，不仅可以准确描述高超声流动中的气体运动规律、激波结构和分子速度分布等现象，还可以基于速度分布信息，结合速度玻尔兹曼分布与双峰分布函数，拟合得到速度分布函数表达式，继而在速度空间内对分布函数求矩得到热流密度。具体操作过程如下：
2、(1)在vmd软件中建立气体分子包围固体物块的分子动力学模型，在namd软件中运用受控分子动力学方法牵引物块在气体环境
3、(2)将步骤(1)中包含原子位置以及速度信息的dcd文件导入到vmd软件中进行后处理，根据不同时刻下物体表面的坐标，确定气体原子与表面作用区域的空间位置，得到t时刻区域内所有气体原子的速度。
4、(3)根据步骤(2)获得的气体原子速度范围划分速度区间，统计每个速度区间内的原子个数，得到t时刻气体分子速度分布，遍历计算稳态区间内不同时刻下的气体分子速度分布，通过时间平均得到相互作用区域内气体分子速度分布。
5、(4)利用气体平衡态玻尔兹曼分布fα与双峰速度分布函数fb对模拟所得到的速度分布进行拟合，在matlab软件中运用nlinfit函数对速度分布进行拟合，具体公式为：
6、
7、
8、若速度分布函数呈现双峰分布，则待拟合参数包含{ns(z)，ts，vs，nh(z)，th，vh}，下标s代表亚声速参数，下标h代表高超声速参数，最后得到速度分布函数表达式。
9、(5)在速度空间内对速度分布函数求矩，计算飞行物体表面热流密度，具体公式为：
10、
11、其中：q为热流，为动能，fb为速度分布函数，vz为飞行方向的速度。
12、进一步地，步骤(1)中所述的模拟模型是可设计的，包括气体分子与固体物体两部分，可以灵活设定气体分子的类型、密度和初始温度，以及固体物块的材料和表面形貌，原子间的相互作用采用lennard-jones势能函数进行描述，不同种类原子间相互作用的lj势参数通过lorentz-berthelot混合法则进行确定。
13、进一步地，步骤(1)中采用受控分子动力学方法进行分子动力学模拟时，边界条件采用周期性边界条件，消除边界效应，使得模拟系统更接近真实情况，整个模拟过程应不少于10ns，每50fs输出一次原子的位置以及速度信息，保证模拟过程的稳定性以及精确性。
14、进一步地，步骤(2)中确定气体原子与表面作用区域的空间位置时，应选定位于固体物块正前方截断半径距离内的气体原子，有助于减少计算的复杂度和计算时间，提高模拟效率。
15、进一步地，步骤(2)中的划分速度区间时，应包含所有原子的速度，避免信息的遗漏或偏差。
16、进一步地，步骤(4)运用matlab中的最小二乘法nlinfit函数进行拟合时，需要对高超声速与亚声速速度分布的初始速度，温度以及数密度进行反复调试和优化，以获得最优的拟合结果，在调试的过程中，相关参数的选择应参考初始模型的设定与统计得到的激波后的温度、速度和密度，保证所设参数在误差允许范围内。
17、进一步地，步骤(5)中在速度空间内对分布函数求矩，计算飞行物体表面热流密度时，代入计算公式的是z向速度分布函数，即飞行方向上的热流密度，可以运用同样的方法，对xy方向上的速度分布函数求矩可得到对应方向上的热流密度。
18、本专利技术的方法通过vmd软件构造固体物体在气体环境下高速飞行的分子动力学模型，在namd软件中运用受控分子动力学方法牵引物块以预设的速度飞行，在飞行达到稳态后按照特定的频率输出不同时刻的原子位置以及速度信息；将原子位置以及速度信息导入到vmd软件中进行数据分析，统计不同时刻下物块表面区域内的气体原子速度，划分速度区间网格，计算得到不同时刻的气体原子速度分布，继而进行时间上的平均得到相互作用区域内的气体原子速度分布；在matlab中运用nlinfit函数对速度分布结果进行拟合，得到拟合后的速度分布函数，继而对速度分布函数求矩计算得到物体表面热流密度。
19、本专利技术提供的方法中，首次利用气体平衡态玻尔兹曼分布与双峰速度分布函数对模拟所得速度分布进行拟合得到速度分布函数，继而进一步求矩得到飞行物体表面热流密度。
20、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：
21、(1)本专利技术从原子尺度研究了高速飞行条件下气体分子与物体表面碰撞后的速度分布，可以准确捕捉高超声速气流的非平衡特性，当双峰分布存在时，可利用本专利技术提供的方法计算不同状态气流对气动加热的贡献，为气动加热的机理和调控研究提供新方法。
22、(2)通过本专利技术提供的方法可以更准确地了解高速运动物体与气体相互作用的复杂流动现象，利用速度分布函数和求矩的方法将高超声速流动的微观统计量与流场宏观物理量进行有效结合，有助于理解高超声速气动加热的本质。
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1.一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于步骤(1)中，固体物体的材料可根据飞行器表面材料进行选择，表面形貌可设计为光滑表面或粗糙表面，气体环境的温度、密度可根据实际飞行条件进行设计。
3.如权利要求1所述的一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于步骤(2)中，不同时刻下飞行物体的坐标是不同的，结合原子间相互作用势的截断半径距离，根据表面实时坐标计算气体原子与表面相互作用区域的空间位置，遍历该区间内气体分子的速度与分布情况。
4.如权利要求1所述的一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于步骤(3)中，利用气体平衡态玻尔兹曼分布fα与双峰速度分布函数fb，在MATLAB软件中nlinfit函数对速度分布进行拟合：
5.如权利要求1所述的一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于，在速度空间内对速度分布函数求矩得到的物体表面热流密度，具体表达式为：<...
【技术特征摘要】
1.一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于步骤(1)中，固体物体的材料可根据飞行器表面材料进行选择，表面形貌可设计为光滑表面或粗糙表面，气体环境的温度、密度可根据实际飞行条件进行设计。
3.如权利要求1所述的一种高速流动中对速度分布函数求矩的热流密度统计方法，其特征在于步骤(2)中，不同时刻下飞行物体的坐标是不同的，结合原子间相互作用势的截断半...
【专利技术属性】
技术研发人员：马晨波，夏海涛，韩权，伍根生，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：
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