[论文解读] Modeling high-speed gas-particle flows relevant to spacecraft landings: A review and perspectives

Jesse Capecelatro|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 103被引用 5

一句话总结

本文综述并推进了高超声速可压缩气固两相流的建模，该流体对月球与行星着陆期间的航天器喷 plume-表面相互作用（PSI）至关重要。研究整合了从18世纪实验到粒子解析模拟的各类经典与现代阻力定律，改进了非定常效应（如附加质量与伪湍流）的关联，尤其在超音速流与高浓度颗粒悬浮液中表现更优。

ABSTRACT

The interactions between rocket exhaust plumes and the surface of extraterrestrial bodies during spacecraft landings involve complex multiphase flow dynamics that pose significant risk to space exploration missions. The two-phase flow is characterized by high Reynolds and Mach number conditions with particle concentrations ranging from dilute to close-packing. Low atmospheric pressure and gravity typically encountered in landing environments combined with reduced optical access by the granular material pose significant challenges for experimental investigations. Consequently, numerical modeling is expected to play an increasingly important role for future missions. This article presents a review and perspectives on modeling high-speed disperse two-phase flows relevant to plume-surface interactions (PSI). We present an overview of existing drag laws, with origins from 18th-century cannon fire experiments and new insights from particle-resolved numerical simulations. While the focus here is on multiphase flows relevant to PSI, much of the same physics are shared by other compressible gas-particle flows, such as coal-dust explosions, volcanic eruptions, and detonation of solid material.

研究动机与目标

• 为解决航天器着陆过程中喷流-表面相互作用（PSI）中高超声速、可压缩、两相流缺乏综合建模的问题。
• 整合从历史实验到现代粒子解析模拟的现有阻力定律，覆盖广泛的雷诺数与马赫数范围。
• 提升在超音速条件下稀疏至中等密度颗粒悬浮液中相间耦合的预测精度。
• 纳入非定常效应（如附加质量与伪湍流），特别是在激波-颗粒相互作用期间。
• 通过提供经验证的、基于物理的模型，支持未来任务设计中的PSI风险缓解。

提出的方法

• 系统性回顾经典与现代阻力关联模型，包括18世纪炮弹实验结果与近期粒子解析直接数值模拟（PR-DNS）成果。
• 开发并集成基于马赫数的阻力模型，采用分段公式分别处理亚音速（Ma < 1）、跨音速（1 ≤ Ma < 1.75）与超音速（Ma ≥ 1.75）区域。
• 利用Sangani（1991）因子引入体积分数修正，以反映高浓度悬浮液中颗粒拥挤效应。
• 通过颗粒迁移率的雷诺数相关修正（基于颗粒温度 Re_T），在Tang et al.（2016）模型中体现动态颗粒行为。
• 对Loth（2008）阻力关联进行改进，结合DSMC与超音速DNS数据，以覆盖稀薄流与可压缩流区域。
• 采用基于克努森数（Knudsen number）的修正函数（如 fKn）实现连续流与稀薄流处理的混合模型，用于过渡区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 现有气固两相流阻力定律在航天器喷流-表面相互作用中所涉及的完整雷诺数与马赫数范围内表现如何？
• RQ2 在高速流中激波-颗粒相互作用期间，主导的非定常效应（如附加质量与伪湍流）是什么？
• RQ3 颗粒浓度与迁移率如何影响可压缩、超音速流中的有效阻力？
• RQ4 通过整合现代粒子解析模拟与高保真流场模拟结果，能否对经典阻力关联进行改进？
• RQ5 如何系统性地扩展阻力模型，以覆盖高超声速PSI中从连续流到稀薄流的过渡区域？

主要发现

• Loth et al.（2021）阻力关联成功捕捉了从稀薄流到可压缩流的过渡，采用结合连续流与可压缩项的混合公式。
• 对于超音速流（Ma > 1），该模型采用基于马赫数的混合函数，在稀薄主导与压缩主导区域之间平滑过渡。
• 在Tang et al.（2016）模型中引入颗粒温度（Re_T）显著提升了对高浓度、可移动颗粒悬浮液的阻力预测精度，尤其在体积分数较高（φ_p ≥ 0.1）时。
• Sangani et al.（1991）提出的体积分数修正项 (1 + 2φ_p)/(1 − φ_p)^2 有效捕捉了密堆积悬浮液中阻力的增加。
• 马赫数大于1.75的模型被判定无效，表明在高超声速区域仍需进一步验证。
• 粒子解析模拟揭示，在激波-颗粒相互作用期间，伪湍流与附加质量效应变得显著，尤其在高密度、高马赫数流中。