火星大气环境模拟装置设计及仿真分析研究

刘高同，孙宇，张磊

北京卫星环境工程研究所，北京 100094



火星大气环境模拟装置设计及仿真分析研究

刘高同*，孙宇，张磊

北京卫星环境工程研究所，北京 100094

对火星表面大气环境特性进行了研究，通过选取合适的计算方法并结合FLUENT流体有限元计算软件对火星表面稀薄气体内部环流进行了模拟仿真分析，提出了以动量源模拟风扇段内流的仿真方法，并进行了可行性讨论。进一步实现了针对圆柱形模拟装置多工况下的内部气体流场稳态和非稳态计算仿真，并对计算结果进行了分析讨论，为火星大气环境模拟装置的设计提供了技术支持和参考。

火星大气；稀薄气体；流体仿真；环境模拟装置；计算流体动力学

火星探测计划以及火星采样返回、载人登陆和火星基地建设等可能的后续任务，对准确预测探测器在火星大气环境中的气动特性提出了严格要求。陌生的大气环境、技术手段的局限和基础数据的缺乏对气动特性预测带来了极大的困难。火星表面稀薄大气成分与地球大气显著不同，密度也只有地球大气的1%，因此飞行器进入火星大气与再入地球大气的过程及遭遇的气动环境非常不同[1]。目前,针对火星探测器气动特性的研究主要集中在火星轨道飞行器气动减速[2]、飞行器进入大气层高速降落和飞行器伞降等方面[3-5]，针对火星近地表面探测器低速情况下的气动特性研究较少，尤其是试验研究国内尚无人开展，因此，设计建造火星大气环境模拟装置，针对火星表面稀薄大气流态进行模拟，进而研究火星表面大气环境对探测器周围流场结构和气动特性的影响，对于掌握火星探测进入阶段的飞行器气动特性及探测器外形设计，具有重要科学意义与工程价值。本文结合火星大气特性选取适当的计算模型针对火星表面大气环境模拟装置进行了内部环流仿真计算，对装置内部流场进行了计算仿真，讨论了不同构型装置在设计工况下的性能。

1　火星表面稀薄气体流态仿真分　 析方法

由于火星表面大气远比地球大气稀薄，因此在模拟计算方法选取的过程中需考虑火星大气的稀薄特性。稀薄气体动力学理论中一般采用努森数来表征某个气象流的稀薄程度[6]，努森数即气体分子平均自由程λ与流动特征长度L的比值，其具体表达式为：

(1)

根据给定的温度和压力范围计算得到火星表面稀薄气体分子平均自由程最大值为8.357×10-5m，最小值为2.235×10-6m，取气体流动宏观量梯度的标尺长度为1 m，努森数范围为2.235×10-6～8.357×10-5，根据钱学森关于气体流动区域的划分[7]，根据稀薄流体空气动力学，火星大气装置内部流场属于连续流场范围，N-S方程在其所处的气体条件范围下是适用的。

2　火星大气环境模拟装置仿真分　 析模型

2.1火星大气环境模拟装置

模拟装置容器舱体仿真计算模型如图1所示。其中，环境箱外壳为圆柱形结构形式，具体几何尺寸和舱内流体环境如表1所示。

表1　环境模拟装置参数

图1　模拟装置容器舱体仿真计算模型Fig.1　Simulation calculation model of environment simulation device

考虑到容器的对称性，为了减小模型计算量，建立了环境模拟装置的半个模型，并在对称面设置对称边界条件，环境模拟装置的流场计算网格划分如图2所示，其中黄色部分为动量源施加区域，用于模拟涵道风扇，红色区域为试验段，计算过程中对试验段风速进行监控，保证该区域平均风速达到计算工况的要求。

图2　圆形装置流体计算网格划分Fig.2　Fluid calculation grid of cylindrical environment simulation device

2.2内部环流流体物性参数设定

火星表面稀薄大气约含二氧化碳95.3%、氮气2.7%和氩气1.6%，还有微量的氧气、一氧化碳、氖气、氪气和氙气，在模块流体参数设定阶段，需根据这几种气体的质量分数以及流场压强和温度合成火星大气的物性参数，在现有气体组分热物性质的基础上，本文结合相关文献[8]，研究了多组分气体热物性参数的计算方法，并取了合适的计算模型，对混合气体的密度、比热、粘度、导热系数可采用以下公式进行计算。

(1)混合气体密度

混合气体密度主要根据各组分气体的体积分数及其在制定压力和温度条件下的密度计算得到。具体计算公式为：

(2)

式中：ρi为各组分气体在指定气压和温度下的密度；yi为各组分气体在混合气体中的浓度。

(2)混合气体黏度

混合气体的黏度可以通过各组分的纯物质黏度、相对分子质量及浓度，根据一定的混合规则求得。严格的Chapaman-Enskog动力论可以推广用于计算多元气体混合物的黏度。经简化，略去二阶的影响，则严格的数值解可近似地用级数表示：

(3)

式中：yi为组分气体浓度；ηi为组分气体的黏度；φij为组分气体i和组分气体j的结合因子。

(3)混合气体导热系数

文献中提供了很多混合气体导热系数计算的方法，本文采用以下公式进行计算：

(4)

式中：λ混合为混合气体的导热系数；λi为组分气体i的导热系数。

(4)混合气体的定压比热容

混合气体密度主要根据各组分气体的浓度及其在制定压力和温度条件下的定压比热容计算得到。具体计算公式为：

(5)

式中：cpi为各组分气体在指定气压和温度下的定压比热容。

2.3涵道风扇模拟

涵道风扇是引起模拟装置内气体环流的驱动器，涵道风扇模拟的准确度直接影响到容器舱内气体环流的精度。考虑到目前涵道风扇并未开始详细设计，无法提供可用于CFD分析计算的的风扇细节几何模型，分析计算中将风扇所在区域简化为一个动量源[10]，以动量源代替桨叶对流场的作用来模拟涵道风扇的气动特性。在连续流场中关于坐标轴i的动量方程可形成如下形式：

(6)

式中：ρ为流体密度；ui为流体沿坐标轴i方向的流动速度；p为流体压力；Si表示风扇沿坐标轴i方向上的单位体积作用力，即为动量源项。

FLUENT软件内部只能针对指定区域添加等量的动量载荷，无法直接实现实际涵道风扇桨盘平面上的动量载荷分布规律，为此需对FLUENT软件的动量源施加模块进行二次开发[11]，通过软件提供的UDF接口编制相应的用户自定义函数[12]，采用叶素理论对动量源施加区域内的每一个单元进行判定，根据单元中心点在风扇桨盘中的位置施加相应的动量载荷。

2.4多工况求解计算和结果处理

为了提高仿真分析的自动集成化，在求解阶段基于Python语言编制了多工况自动迭代计算程序，实现了FLUENT求解器的外部程序调用和多工况的自动提交、结果分析以及反复迭代计算。工况计算过程中，Python程序首先生成用于设置相关工况参数的journal批处理文件，再通过batch命令调用FLUENT求解器提交journal文件进行计算，同时在计算过程中Python程序持续对计算进程进行监控，一旦计算完成便对输出的结果进行处理分析。

3　火星大气环境模拟装置气体流　 态仿真分析

3.1稳态多工况计算

考虑到箱内气压和试验段风速对环境模拟装置气体环流状态影响最大，结合火星大气环境模拟装置的使用工况，选取了多种典型工况对环境模拟装置内部气体环流进行了计算仿真，具体工况参数如表2所示。

环境模拟装置典型工况下的速度矢量分布和压力分布如图3和图4所示，装置内部流场流线分布如图5所示。由图可以看出试验段基本都处在等速层流区域，容器舱体内部气体由舱体四周向风扇一侧回流，并在中间层流区的四周形成涡旋，风扇桨盘进风口附近会形成一定的负压区域，这是风扇吸力作用导致的，同时在风扇加速气流与舱体内壁接触的地方会出现一定的正压区，这是由于气流在该区域受到阻滞速度降低从而压力升高造成的。其余部分，特别是试验段压力维持在比较均匀的水平。基于动量源方法的风扇模拟方式可以有效地模拟风扇细节流场特征，同时减少了网格数量，有利于实际工程设计应用。

表2　计算工况参数表

图3　环境模拟装置典型工况下的速度矢量分布Fig.3　Velocity vector distribution of environment simulation devices under typical operating conditions

图4　环境模拟装置典型工况下的压力分布Fig.4　Pressure distribution of environment simulation devices under typical operating conditions

图5　环境模拟装置回流气流流线分布Fig.5　Streamline distribution of reflux airflow of the environment simulation devices

根据环境模拟器箱多工况稳态分析结果可知，在所有工况下试验段基本都处在等速层流区域，箱内气体由箱体四周向风扇一侧回流，并在中间层流区的四周形成涡旋，由于试验段完全处于层流区域内，因此计算过程中的速度监控曲线在达到一定的迭代步数之后趋于稳定并收敛。

由各工况压力分布图可知，风扇桨盘进风口附近会形成一定的负压区域，是风扇吸力作用导致的，同时在风扇加速气流与箱壁接触的地方会出现一定的正压区，这是由于气流在该区域受到阻滞速度降低从而压力升高造成的。其余部分，特别是试验段压力维持在比较均匀的水平。由于计算模型没有添加热源，因此整个环境箱内部流场温度都保持在初始温度上。

图6　不同工况对应风扇需用功率变化趋势Fig.6　Demand power changing tendency of driving fan under different operating conditions

根据流态仿真计算得到的不同工况驱动风扇需用功率如图6所示，由于环境箱内气压很低，因此风扇需用功率较小，最大仅达到了3.5 W，从变化趋势上可以看出，驱动风扇的需用功率随着环境模拟器内部压力和试验段指定风速的增加而增加，同时呈现出显著地非线性特征。

3.2非稳态典型工况计算

实际试验过程中需要对一些电子设备进行测试，这些电子设备在测试过程中会产生一定的热量，从而引起自身温度的升高。为了研究容器舱体内部气流对这些产热设备散热的影响，在稳态分析的基础上在模型中加入试验热源，通过对火星表面大气环境模拟装置气体环流的非稳态计算仿真来得到一定发热功率下热源与流场温度随时间变化规律。

计算基于一种典型工况，具体参数如表3所示。

表3　典型工况参数

比热与导热系数参考金属铝的材料特性，试验热源初始温度与环境温度一致，容器内部流场循环在风扇作用下保持稳定。其中，试验热源前端风速保持在20 m/s左右，初始时刻试验热源开始以100 W的功率产生热量并在整个计算过程中保持不变。热源产生的热量一部分用于热源本身升温，另一部分通过容器内部气流和自身辐射与模拟装置容器舱体壁面进行热量交换，其中模拟装置容器舱体壁面在整个计算过程中保持恒温。试验热源位置如图7所示。

图7　环境模拟装置内部试验热源位置Fig.7　Position of test heat source inside environment chamber

环境模拟装置内部流场速度矢量分布和压力分布如图8、图9所示，可以看出，试验热源前端气流速度基本维持在20 m/s左右，达到了计算工况的要求，试验热源后段形成了一个紊流区，使得流场气体回流点相对于第3.1节的稳态计算结果向前移动，造成气流循环路径变短，进而导致风扇区气流速度进一步增加。由环境模拟装置内部压力分布图可以看出，由于试验热源的阻滞作用，热源前端形成了一个正压区，后端由于处于紊流状态，压力分布较为均匀，由于风扇区气流速度增加，风扇进风口处的负压区压力相对于稳态计算结果进一步降低，在风扇桨尖处达到极值。

图8　环境模拟装置内部流场速度矢量分布Fig.8　Interior flow velocity vector distribution of cylindrical andsquare environment simulation devices

图9　环境模拟装置内部压力分布Fig.9　Pressure distribution of environment simulation devices

环境模拟装置内部最终温度分布和试验热源温度变化时间历程曲线如图10和图11所示，可以看出，初始阶段试验热源升温较为迅速，而随着试验热源和环境箱内流体之间的温差不断增加，这两者之间的换热速率也不断增加，从而造成热源升温速率逐渐下降，经过2 000 s之后，试验热源的温度最终趋于稳定，与环境箱内流体的温差保持在9℃左右，环境箱内流体流过试验热源表面之后会产生一定的升温，因此在试验热源后方沿流场流线方向会产生一定长度的高温流体带。

在非稳态分析过程中，环境模拟装置内部试验热源会对箱体内部气体环流产生显著影响，在恒定发热功率下，热源升温速率随时间增加而不断减小并最终达到一个稳定状态。

图10　环境模拟装置最终温度分布Fig.10　Final temperature distribution of environment simulation devices

图11　环境模拟装置试验热源平均温度时间变化曲线Fig.11　Heat source temperature changing with time of environment simulation devices

4　结束语

本文采用三维CFD数值分析方法对不同状态下的火星大气模拟装置内部环流状态进行了稳态和非稳态模拟仿真，得到以下结论：

1)根据稀薄流体空气动力学，火星大气装置内部流场属于连续流场范围，N-S方程在其所处的气体条件范围下是适用的。

2)基于动量源方法的风扇模拟方式可以有效地模拟风扇细节流场特征，同时减少了网格数量，有利于实际工程设计应用。

3)通过对环境模拟装置内部环流状态进行稳态模拟得到了不同工况下的驱动风扇需用功率，对风扇的后续设计提供了输入参数。

4)在非稳态分析过程中，环境模拟装置内部试验热源会对箱体内部气体环流产生显著影响，在恒定发热功率下，热源升温速率随时间增加而不断减小并最终达到一个稳定状态。

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(编辑：高珍)

Analysis of design, simulation & calculation module for Martian atmosphere environment simulation device

LIU Gaotong*，SUN Yu，ZHANG Lei

Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China

The characteristics of Martian atmosphere were studied.A simulation calculation module of the Martian atmosphere simulation environment box was set up by choosing appropriate calculation method combined with FLUENT fluid finite element calculation software.The module realizes steady and unsteady calculation simulation of interior flow field under multiple working conditions of the cylindrical Martian atmosphere environment simulation devices.The calculation results was analyzed so as to provide technical support and reference for design of the Martian atmosphere environment simulation device.

Martian atmosphere; rarefied gas; fluid simulation; environment simulation device;computational fluid dynamics

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0059

2016-03-03；

2016-04-27；录用日期：2016-08-22；

时间：2016-09-2113:41:25

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160921.1341.007.html

刘高同(1986-)，男，工程师，lgt_0903@163.com，研究方向为空间环境模拟控制技术研究及航天器试验装备研制

LIUGT,SUNY,ZHANGL.Analysisofdesign,simulation&calculationmoduleforMartianatmosphereenvironmentsimulationdevice[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016,36(5)：65-71(inChinese).

V416.5

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：刘高同,孙宇,张磊.火星大气环境模拟装置设计及仿真分析研究[J].中国空间科学技术, 2016,36(5)：65-71.