Abstract A Forward-Facing Step (FFS) can be approximated as a simplified geometry for modeling the irregularities around space vehicles, the flow around which is often rarefied. These irregularities lead to flow separation, circulation, and re-attachment. This study aims to examine one of the fundamental surface irregularities that can have a significant effect on the design of space vehicles. In this article, Direct Simulation Monte Carlo (DSMC), an effective method for studying rarefied flows, is used to investigate the role of rarefaction on the non-reacting hypersonic rarefied gas flow over a forward-facing step. A comprehensive analysis of the effects of Knudsen number on the on flow-field properties, i.e., velocity, pressure, temperature, density, and surface properties, i.e., pressure coefficient, skin friction coefficient, and heat transfer coefficient is performed. The selected Knudsen number range from 0.05 to 21.33, covering the various rarefaction regimes. The Mach number of the free-stream flow employed was 25. The sections in the vicinity and downstream of the step are examined in-depth, describing the predominant nonequilibrium aspects. The normalized flow properties increased with Knudsen number and are primarily affected by the interplay of compressibility and viscous dissipation effects. Flow recirculation occurred in the slip and transition regime, whereas it was absent in the free-molecular regime; moreover, the recirculation lengths decreased with rarefaction. The surface properties were found to increase with Knudsen number with peak magnitudes located on the upstream and frontal face of the step.

中文翻译：

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DSMC 对二维前向台阶上稀薄气体流动的研究：克努森数的影响

摘要 前向台阶 (FFS) 可以近似为一种简化的几何形状，用于模拟航天器周围的不规则性，其周围的流动通常很稀薄。这些不规则导致流动分离、循环和重新附着。本研究旨在研究一种可能对航天器设计产生重大影响的基本表面不规则性。在本文中，直接模拟蒙特卡罗 (DSMC) 是一种研究稀薄流动的有效方法，用于研究稀薄对前向台阶上非反应性高超声速稀薄气流的作用。综合分析克努森数对流场特性的影响，即速度、压力、温度、密度和表面特性，即压力系数、皮肤摩擦系数、并执行传热系数。选定的克努森数范围从 0.05 到 21.33，涵盖了各种稀薄制度。所采用的自由流的马赫数为 25。对台阶附近和下游的部分进行了深入检查，描述了主要的非平衡方面。归一化流动特性随 Knudsen 数增加，主要受可压缩性和粘性耗散效应相互作用的影响。流动再循环发生在滑移和过渡状态，而在自由分子状态中不存在；此外，再循环长度随着稀疏而减少。发现表面特性随着 Knudsen 数的增加而增加，峰值位于台阶的上游和正面。选定的克努森数范围从 0.05 到 21.33，涵盖了各种稀薄制度。所采用的自由流的马赫数为 25。对台阶附近和下游的部分进行了深入检查，描述了主要的非平衡方面。归一化流动特性随 Knudsen 数增加，主要受可压缩性和粘性耗散效应相互作用的影响。流动再循环发生在滑移和过渡状态，而在自由分子状态中不存在；此外，再循环长度随着稀疏而减少。发现表面特性随着 Knudsen 数的增加而增加，峰值位于台阶的上游和正面。选定的克努森数范围从 0.05 到 21.33，涵盖了各种稀薄制度。所采用的自由流的马赫数为 25。对台阶附近和下游的部分进行了深入检查，描述了主要的非平衡方面。归一化流动特性随 Knudsen 数增加，主要受可压缩性和粘性耗散效应相互作用的影响。流动再循环发生在滑移和过渡状态，而在自由分子状态中不存在；此外，再循环长度随着稀疏而减少。发现表面特性随着 Knudsen 数的增加而增加，峰值位于台阶的上游和正面。所采用的自由流的马赫数为 25。对台阶附近和下游的部分进行了深入检查，描述了主要的非平衡方面。归一化流动特性随 Knudsen 数增加，主要受可压缩性和粘性耗散效应相互作用的影响。流动再循环发生在滑移和过渡状态，而在自由分子状态中不存在；此外，再循环长度随着稀疏而减少。发现表面特性随着 Knudsen 数的增加而增加，峰值位于台阶的上游和正面。所采用的自由流的马赫数为 25。对台阶附近和下游的部分进行了深入检查，描述了主要的非平衡方面。归一化流动特性随 Knudsen 数增加，主要受可压缩性和粘性耗散效应相互作用的影响。流动再循环发生在滑移和过渡状态，而在自由分子状态中不存在；此外，再循环长度随着稀疏而减少。发现表面特性随着 Knudsen 数的增加而增加，峰值位于台阶的上游和正面。归一化流动特性随 Knudsen 数增加，主要受可压缩性和粘性耗散效应相互作用的影响。流动再循环发生在滑移和过渡状态，而在自由分子状态中不存在；此外，再循环长度随着稀疏而减少。发现表面特性随着 Knudsen 数的增加而增加，峰值位于台阶的上游和正面。归一化流动特性随 Knudsen 数增加，主要受可压缩性和粘性耗散效应相互作用的影响。流动再循环发生在滑移和过渡状态，而在自由分子状态中不存在；此外，再循环长度随着稀疏而减少。发现表面特性随着 Knudsen 数的增加而增加，峰值位于台阶的上游和正面。