空天动力系统作为火箭、飞机、高超声速武器等飞行器的“心脏”，是一个国家综合国力、工业基础、科技水平的集中体现。空天动力系统通常工作在高温、高压的严酷环境下，其内流场是伴随着燃烧、相变、凝聚、破碎、沉积以及结构的动态响应等复杂物理化学过程、包含气体、液体、颗粒、甚至等离子体等相态的多相多尺度复杂流动，对此类复杂流动的认识与理解是先进动力系统设计研制必须解决的关键基础问题。同时，此类多相多相流问题也是目前国际最前沿科学问题之一，在庆祝全球顶级期刊《Science》创刊125周年之际，该刊杂志社公布了125个最具挑战性的科学问题，其中第43个即是关于多相流动的“湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论”。

在国家重点研发计划、国家自然科学基金重大研究计划、面上项目、国防973重点项目、军科委173领域基金等项目的支持下，项目组围绕空天推进系统多相流动中需要解决的关键基础科学问题进行了长期深入的研究，揭示了燃油雾化的气液两相流、颗粒运动与沉积的气粒两相流、气体激波与等离子体相互作用等复杂机理，建立了湍流-界面-离散相耦合作用的物理模型，提出了多相流模拟的SPH-FEM-FVM耦合算法，建立了多尺度气-液-粒统一气体动理学格式，搭建形成了具有完全自主知识产权的计算软件，并应用于多个型号空天动力装置的设计与研制，取得了多项具有国际影响力的研究成果，具体研究内容如下：

（1）空天动力内流场复杂多相流动机理及模型建立。通过理论分析、物理试验与数值仿真相结合的手段，研究了燃料工质雾化过程中的湍流与界面相互作用机理、雾化液膜不稳定破碎机理、液滴间相互碰撞机理等，建立了基于线性不稳定的液体射流雾化模型；针对固体火箭发动机和航空发动机内颗粒物质输运过程中存在的团聚、沉积、磨蚀等问题，研究了颗粒介质不同相态演变机理，建立了颗粒介质全相态物理模型；针对高超声速推进系统射流控制问题，研究了进气道内等离子体与激波相互作用机理，建立了等离子喷射流动控制理论模型，实现了对空天动力内流场复杂气液粒多相流问题的有效描述。

（2）空天动力内流场多相流动精细化数值模拟方法。针对空天动力内流场多相、多尺度的特点，发展了高精度/高分辨率有限体积方法、基于颗粒多相态模型的光滑离散颗粒流体动力学方法以及统一气体动理学粒子方法，提出了无网格粒子法与网格方法中的有限元法、有限体积等方法的耦合方法，实现了空天动力内流场中考虑气体湍流、液面演变、颗粒流动、蒸发燃烧、结构变形等复杂物理化学过程的高效精细化数值模拟。

（3）基于复杂多相流机理和数值方法的空天动力系统设计研发。将复杂多相流机理及数值模拟方法成果应用于XXX固体火箭发动机设计研制、火箭发动机烧蚀试验系统设计研制、导弹助推段凝胶火箭发动机燃烧室设计以及WS15和CJ1000两个型号航空发动机燃油雾化装置的设计研发中，同时还拓展应用于航空/航天以及汽车用结构件的铸造加工、西部山区特大地质灾害链风险评估等，为武器系统的更新换代提供有力的支撑。

项目的主要科学发现点与创新点包括：

  （1）提出了颗粒介质全相态的概念，阐明了不同颗粒相态之间的耦合与转化机制，首次建立了描述颗粒介质经历全部相态的耦合模型理论，突破了颗粒介质运动多种相态统一描述的难题；

  （2）提出了求解颗粒运动问题的光滑离散颗粒流体动力学新方法，阐明了计算粒子与实际颗粒之间的对应关系，实现了一条由微观机理分析到宏观模型建立再到微观粒子仿真的新路径，突破了颗粒流动微观粒子描述与宏观拟流体描述无法同时满足的难题。

  （3）创造性提出了数值格式耗散与色散分别优化的思想，构造了具有最小色散、可控耗散的数值格式，实现了气相湍流等复杂多尺度流场的高分辨率、高效数值模拟。

  （4）创新提出了一种新的求解单分散气-粒两相流的统一气体动理学格式，发展了统一气体动理学粒子方法求解器，打破了传统求解气-粒两相流数值方法仅适用于单尺度问题计算的局限性。

  （5）建了全新的求解气体-颗粒两相流的数值计算方法——SDPH-FVM耦合新方法，突破了传统方法无法同时模拟颗粒流动、蒸发、燃烧、碰撞、破碎等复杂物理化学过程的难题，计算的效率较传统颗粒动力学方法提高百分之五十。

  本成果历时10年研究，相关算法与模型形成了以SPH-FVM-FEM耦合算法为核心的、拥有自主知识产权的计算软件，在科学出版社出版专著4部，发表学术论文87篇，SCI检索38篇，共被他引1138次（其中8篇代表性论文他引214次），获批基金项目10项，授权专利6项，软著13项，培养研究生25名，相关工作得到了国内外知名学者如中国科学院院士、国际宇航科学院院士张贵田、中国科学院院士张涵信、邓小刚、中国工程院院士侯晓、国际知名计算力学学者、美国辛辛那提大学宇航工程与工程力学系教授GR Liu 、APS Fellow、TUM教授Adams、AIAA Fellow 符松教授及其团队持续的关注、引用与评价，产生了显著的军事、经济和社会效益，为陕西省军工发展与经济建设做出了重要贡献。