烧蚀对再入体绕流电子数密度影响的数值研究

从化学非平衡NS方程或其简化形式(粘性激波层方程、PNS方程)出发,采用分区求解的方法数值模拟含泰氟隆烧蚀产物的高超声速再入体流场.首先计算分析了RAM-C飞行试验状态和一个考核算例,对计算方法和程序作了初步验证.其次耦合烧蚀壁面边界条件和流体控制方程,采用19组分28个反应的化学反应模型,对有、无烧蚀情况下高超声速钝锥体再入绕流及底部流场进行了数值模拟,深入分析了烧蚀产物对再入流场电子数密度及温度分布的影响.     

高超声速钝锥体等离子体流场数值模拟

以小钝锥体为对象建立二维几何模型,利用COMSOL Multiphysics软件对等离子体流场控制方程组进行求解,对高超声速气流流过模型所产生的等离子体流场进行数值模拟.仿真得到了在模型头部激波、尾部膨胀波和尾后激波的共同作用下,考虑烧蚀反应时流场的速度、温度、压强和等离子体电子数密度分布,重点分析了钝锥体模型等离子体包覆层和尾后电子分布的特征和成因.可以为高超声速飞行器的探测和控制提供重要的借鉴和参考.     

高超声速再入体烧蚀流场计算分析

从化学非平衡NS方程或其简化形式(粘性激波层方程、PNS方程)出发,求解高超声速再入体的绕流和底部尾流流场。首先讨论了碳基材料烧蚀壁面条件的确定方法,计算了包含和不包含碳-碳烧蚀产物的再入体半球的化学反应绕流流场,并和文献结果进行了对比。在此基础上,计算了两个高度条件下,包含和不包含碳-酚醛烧蚀产物的再入小钝锥的绕流和尾流流场,分析了烧蚀产物对流场电子数密度、温度等流动参数的影响。     

高速高温流场电子能非平衡的数值模拟

采用描述电子能非平衡的三温度模型,结合11组分空气的化学反应模型,对多种高速高温热化学非平衡流场开展数值模拟,并与描述电子能平衡的两温度模型结果进行对比,研究电子能非平衡对高超声速流场特性的影响。圆球弹道靶试验算例表明电子能非平衡不影响激波脱体距离。RAM-C II飞行器的4个飞行工况算例表明,尽管两温度和三温度模型结果存在差异,但二者电子数密度分布的趋势和量级接近,均可与飞行试验数据保持一致,其中三温度模型的预测效果更好。FIRE II飞行器极高温流场模拟结果显示,电子能非平衡几乎不影响飞行器表面的对流传热。     

电离对高超声速稀薄流飞行器气动热影响

将电离反应模型扩展到（direct simulation Monte Carlo,DSMC）方法中,研究了电离反应效应对高超声速稀薄流飞行器气动热的影响特性.针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入“捆绑法”思想处理电子在流场中的运动,并给出了电离反应模型及电离反应处理方法.在以RAM-C Ⅱ飞行器外形为例对增加了电离反应的DSMC代码进行验证的基础上,以“星尘号”探测器外形为研究对象,针对不同飞行高度下5组元混合气体模型（无电离）和11组元混合气体模型（含电离）的化学非平衡流动开展了数值模拟,细致分析和对比了电离反应效应对探测器气动热的影响规律.研究结果表明:采用的电离反应处理方案能够模拟带电离反应的高超声速化学非平衡稀薄流动.在飞行高度为60km时电离反应对探测器气动热的影响最为强烈,使探测器的驻点热流密度降低了5.12%,电离反应对探测器气动热的影响随气体稀薄程度增加而减弱.      

高超声速电离绕流的数值模拟

本文从三维N－S方程出发，采用稳式L－U分解算法和7组分15个反应的化学模型，数值模拟高超声速电离空气绕流。首先采用对称TVD格式、AUSMPW＋格式和Van Leer的矢通量分裂格式计算了高超声速球头绕流，并对它们的计算结果做了对比分析。然后用前两种格式，对RAM－C飞行试验模型三个再入高度（81km、71km、61km）的流场进行了数值模拟，计算的流场电子数密度值和试验测量数据符合较好。     

Newton型迭代法在求解烧蚀边界条件控制方程中的应用

对于采用烧蚀手段进行防热的高超声速飞行器而言,利用有限速率烧蚀条件下的防热层热响应与流场耦合计算,则可以更加准确地预测包括气体烧蚀产物在内的化学非平衡流场特性。基于稳态能量平衡假设(SSEB),本文对有限速率烧蚀边界数值处理方法进行了初步探索。采用Newton迭代法对表面质量和能量平衡方程进行迭代时,为了避免Jacobi矩阵求逆困难,发展了一种基于对角化Jacobi矩阵的Newton型迭代法。以碳基石墨防热材料有限速率烧蚀边界为例,通过与相关文献的壁面温度、热流以及流场不同组分质量分数等计算结果的比较,表明了这种Newton型迭代法在数值求解有限速率烧蚀边界方面的有效性。     

碱金属引射对尾流化学动力学和电子密度的影响

用把碱金属（Na）加入到空气尾流中进行数值模拟的方法,研究了碱金属引射对高超声速尾流化学动力学和电子密度的影响。采用的化学反应模型为包括O2、N2、O、N、NO、NO＋、Na 、Na、O2-及e-的10组元模型。计算结果表明,碱金属引射,使尾流电子数密度增加1～3个量级。计算结果与文献中的数据符合较好。     

基于电子束电离的磁流体力学进气道流动控制数值模拟

采用基于电子束电离的磁流体力学(MHD)控制系统,对高超声速流场附面层,以及非设计状态下的高超声速进气道流场的磁流体控制进行了深入研究.控制方程为低磁雷诺数Navier-Stokes方程,采用等离子体动力学模型与电子束模型模拟空气电离过程.研究结果表明:①电子束电离能有效提高流场的电导率,增强磁场对流场的控制效率;②基于电子束诱导电离的MHD控制系统能有效地控制高超声速流场的附面层,但其控制效率跟电子束能量大小相关;③基于电子束诱导电离的MHD控制系统能有效地改变非设计状态下高超声速飞行器的斜激波结构,使进气道重新满足Shock-on-lip(SOL)条件,但进气道的总压恢复系数以及流量将会降低.      

烧蚀外形转捩流动的数值模拟

本文采用雷诺平均Navier-Stokes方程和修正Baldwin-Lomax代数湍流模型,以Roe二阶流通量差分分裂格式进行离散,数值模拟了典型烧蚀外形的高超声速流场,重点讨论了流动转捩的判定及其与复杂流态的关联.结果表明:数值模拟出的球钝锥外形转捩点位置与工程估算结果符合较好;对工程估算中存在困难的奶头状凹陷烧蚀外形,数值模拟也可给出符合流场结构的转捩点位置.     

磁场对高超声速弱电离气体流动的影响

对偶极子磁场作用下的三维钝头体高超声速黏性绕流的化学非平衡流动进行了数值模拟。电导率利用组分公式计算,化学模型为7组元、6反应模型。应用诱导磁场方法将磁场与流场耦合,控制方程的空间离散采用有限体积法,扩散项用中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,时间推进采用3步Runge-Kutta法。计算结果表明,外加偶极子磁场使激波脱体距离增加,壁面摩擦系数和表面热流密度增大。与无磁场作用时相比,在0.153T外加磁场作用下,冻结流中的激波脱体距离增加约3倍,局部壁面摩擦系数最大增加63%,局部表面热流密度最大增加61%;而化学非平衡流中的激波脱体距离增加约0.5倍,局部壁面摩擦系数最大增加47%,局部表面热流密度最大增加31%,且化学非平衡流中激波层内温度的最大值约为冻结流中的64%。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

均匀磁场中高超声速弱电离气体流动数值模拟

采用7组元化学模型并应用组分公式计算电导率,通过求解黏性MHD(magneto-hydro-dy-namics)方程组,研究了不同强度均匀磁场对三维钝头体高超声速绕流化学非平衡流动的影响.结果表明,随着磁场的增强,激波脱体距离逐渐增加;总阻力系数和壁面温度逐渐减小.在B_y=0.03 T磁场作用下,与无磁场的结果相比,化学非平衡流中的激波脱体距离增加约7%,总阻力系数减小约5%,局部壁面温度最大降低74%;而冻结流中的激波脱体距离增加约43%,总阻力系数减小约6.9%,局部壁面温度最大降低18%.      

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

非结构网格高超声速化学非平衡MHD流场数值模拟

 在非结构网格上对考虑化学非平衡效应的二维高超声速磁流体绕钝头体流动进行了数值模拟。控制方程由二维理想磁流体动力学（MHD）方程和组元连续方程两部分组成,化学动力学模型为5组元17反应模型。MHD方程空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步龙格-库塔格式,并通过弱耦合的方式与化学反应控制方程结合在一起。计算模型为二维钝头体,外加磁场为偶极子场,磁场源位于钝头体内部。在高超声速来流条件下,对有、无磁场干扰,是否考虑化学反应下的4种工况进行了数值计算,得到了满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法能准确地模拟考虑化学非平衡效应的高超声速MHD流场。     

平板空气舵干扰区烧蚀凹陷对热环境影响

针对高速飞行条件下空气舵干扰区烧蚀产生的局部凹陷对气动加热的影响问题,建立了平板-空气舵流动模型,针对典型高速飞行状态,采用高温热化学非平衡数值模拟,研究了空气舵缝隙区的流动结构和气动加热规律,并对舵缝干扰区的烧蚀外形进行了模化,分析了干扰区烧蚀凹陷对流动结构和气动加热的影响,结果表明:烧蚀凹陷改变了干扰区压力分布规律,降低了沿展向压力梯度,从而抑制了边界层的横向流动和厚度减薄效应,使得干扰区热流降低,且热流降低量值与烧蚀凹陷深度呈正相关,凹陷深度为5 mm时干扰区热流降低量达到28.9%。      

燃烧加热类高超声速高温风洞流场校测与评估

为建立统一的燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质评价标准,针对国内6座不同喷管出口直径的燃烧加热类高超声速高温风洞,从统一的皮托压探针、总温探针和流场校测排架设计出发,分别研制了流场校测装置,完成了典型试验状态的流场校测试验。根据相同的数据处理和分析方法得到了相关风洞喷管出口截面的速度场、温度场及均匀区信息。6座风洞速度场均匀区直径分别对应喷管出口直径的73.3%、76.5%、75.0%、80.0%、74.7%、83.3%。根据各风洞流场校测结果,初步掌握了国内同类型风洞流场品质整体水平,提出了当前燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质参考评价指标。对于马赫数4.5~6.0的试验状态,风洞速度场均匀区直径应不小于喷管出口直径的70%,均匀区内马赫数标准偏差与平均马赫数的比值应小于2%,总温标准偏差与平均总温的比值应小于5%。     

高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

高超声速非平衡流场多个振动温度模型的数值研究

利用数值求解热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,建立了考虑一个和多个振动温度的高超声速热化学非平衡流场的CFD计算程序,并对半球模型和球锥模型进行了数值计算,研究结果表明:(1)各个分子组分的振动温度分布于考虑一个振动温度模型的振动温度周围,即一个振动温度模型的振动温度是多个振动温度模型的各个分子组分振动温度的一种平均值;(2)在模型身部,振动温度的峰值高于平动温度的峰值;在模型近尾出现振动温度冻结并高于平动温度。