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。     

含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场特性数值模拟

针对高超声速飞行器的烧蚀现象,采用Newton迭代的空间推进方法,数值求解化学非平衡的抛物化Navier-Stokes(PNS)方程.以黏胶基碳布-氨酚醛树脂为烧蚀材料,建立了含碱金属杂质的18组分33反应的化学反应模型,计算了小钝锥体的壁面温度,并和现有文献结果进行对比验证.在此基础上,对含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场进行了模拟,深入分析了含碱金属杂质的烧蚀反应对流场温度、压力和电子数密度的影响.结果表明:烧蚀反应使得流场温度较非烧蚀情况增加了10%~15%;考虑碱金属杂质Na后,流场电子数密度增大了1~2个数量级.      

高超声速三维碳—碳烧浊流场的数值研究

本文针对高超声速再体的烧蚀现象 ,利用简单隐式TVD差分格式和激波捕捉法 ,数值求解三维化学非平衡Navier Stokes方程 ,其中化学模型是碳 碳 (C C)空气化学模型 ,考虑 12个化学组分和 31个化学反应过程 ,研究了C C烧蚀对再入体头部区域的壁面温度和热流分布的影响。为了计算效率和稳定性提出壁面条件显式处理的方法。对再入高度为 6 5km和速度为 8km/s的再入体头部区域烧蚀流场进行了数值模拟 ,用飞行迎角α =0°的计算结果与国外文献进行了比较 ,符合得较好。同时给出了三维小迎角α =5°的计算结果     

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。     

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.     

超声速和高超声速横向喷流数值模拟

为了解横向喷流的干扰影响和喷口附近的流场结构,采用分块对接网格和“0”型网格技术,数值求解N—S方程来模拟超声速和高超声速流场中横向喷流的干扰流场。对两种尖拱弹身外形的超声速和高超声速喷流干扰流场进行了数值计算,计算结果与风洞实验数据吻合一致。在此基础上,开展了某型导弹多喷构型干扰流场的数值模拟,得出一些横向喷流数值模拟的结论。     

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。     

硅基材料烧蚀产物对再入体流场特性影响的数值计算

针对常规再入体低温烧蚀的硅基防热材料,考虑热解效应和硅碳反应,采用24个组分57个化学反应式的空气/烧蚀化学模型,初步建立了数值模拟再入过程非平衡流场的烧蚀计算模型,并对典型简化钝锥再入体的再入绕流流场和弹道靶试验模型绕流流场进行了数值计算,分析了再入体表面温度和流场烧蚀组分等参数变化规律以及硅基材料烧蚀效应对流场特性的影响。     

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。     

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。     

烧蚀反应动力学参数的确定

本文提出了一种理论模型与实验相结合确定碳基材料烧蚀反应动力学参数(活化能和指前因子)的方法。首先建立了碳基材料热化学烧蚀的湍流边界层模型,运用数值方法对边界层守恒方程组、表面烧蚀和固相热传导进行耦合求解,计算过程中不需要事先假设烧蚀的控制类型。其次,在电弧加热器中模拟火箭发动机喷喉的烧蚀环境进行烧蚀材料与氧化性气体反应的烧蚀实验。最后,运用所建立的模型和在电弧加热器上的实验结果进行预测比较,确定烧蚀反应的动力学参数。作为实例,确定了石墨与CO_2的烧蚀反应的动力学参数。     

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。     

预处理AUSM+格式在全速域反应流模拟中的应用

对预处理修正的AUSM+(advection upwind splitting method+)格式进行了详细讨论, 并将其应用于全速域范围内的化学反应流场数值模拟.基于多组分Navier-Stokes方程, 结合控制方程时间导数项的预处理, 采用预处理修正的AUSM+格式发展了一种模拟全速域范围内化学反应流场的有效算法.验证算例包括超声速、亚声速以及极低速情形的化学反应流场, 计算结果表明基于预处理AUSM+格式发展的算法能够有效地用于全速域范围内化学反应流动问题的模拟.      

固体火箭喷管中的烧蚀控制机制

对碳基材料,以热化学烧蚀三方程模型为基础,在考虑粒子侵蚀,烧蚀与传热耦合的情况下,进行了全喷管烧蚀控制机制的研究,喷管中的烧蚀控制机制有化学动力学控制,扩散控制和双控制三种机制。通过研究,得到如下结论:1)对于由扩散控制和化学动力学控制确定的烧蚀率相差约20倍以上时,可以简化为按烧蚀率低的一种控制机制来计算;否则,应当按既考虑扩散控制,又考虑化学动力学控制的双控制机制来计算。2)在固体火箭喷管中,大体上喉部和扩张段的烧蚀是化学动力学控制的,而收敛段的烧蚀是由扩散控制的。3)由于在收敛段由两种机制控制的烧蚀率相差较小,因此,在收敛段的烧蚀率应当按双控制机制来计算。喉部和扩张段的烧蚀可简化为动力学控制机制。     

Analytical method of nonlinear coupled constitutive relations for rarefied non-equilibrium flows

It is well known that Navier-Stokes equations are not valid for those high-Knudsen and high-Mach flows, in which the local thermodynamically non-equilibrium effects are dominant. To extend the non-equilibrium describing the ability of macroscopic equations, Nonlinear Coupled Constitutive Relation (NCCR) model was developed from Eu’s generalized hydrodynamic equations to substitute linear Newton’s law of viscosity and Fourier’s law of heat conduction in conservation laws. In the NCCR model, how to solve the decomposed constitutive equations with reasonable computational cost is a key ingredient of this scheme. In this paper, an analytic method is proposed firstly. Compared to the iterative procedure in the conventional NCCR model, the analytic method not only obtains exact roots of the decomposed constitutive polynomials, but also preserves the nonlinear constitutive relations in the original framework of NCCR methods. Numerical tests to assess the efficiency and accuracy of the proposed method are conducted for argon shock structures, Couette flows, two-dimensional hypersonic flows over a cylinder and three-dimensional supersonic flows over a three-dimensional sphere. These superior advantages of the current method are expected to render itself a powerful tool for simulating the hypersonic rarefied flows and microscale flows of high Knudsen number for engineering applications.     

炭化材料烧蚀防热的理论分析与工程应用

本文重点对炭化材料烧蚀防热的内部机理，即存在非平衡化学反应的热解气体扩散通过变孔隙度的多孔介质的瞬态传热、传质过程做了深入分析，并利用该方法对飞船返回舱头部的再入烧蚀性能进行了一维计算，通过与简化模型的计算结果比较表明：材料内部质量沉积和化学反应对烧蚀性能有较大影响。     

Numerical simulation of hypersonic thermochemical nonequilibrium flows using nonlinear coupled constitutive relations

To predict aeroheating performance of hypersonic vehicles accurately in thermochemical nonequilibrium flows accompanied by rarefaction effect, a Nonlinear Coupled Constitutive Relations (NCCR) model coupled with Gupta’s chemical models and Park’s two-temperature model is firstly proposed in this paper. Three typical cases are intensively investigated for further validation, including hypersonic flows over a two-dimensional cylinder, a RAM-C II flight vehicle and a type HTV-2 flight vehicle. The results predicted by NCCR solution, such as heat flux coefficient and electron number densities, are in better agreement with those of direct simulation Monte Carlo or flight data than Navier-Stokes equations, especially in the extremely nonequilibrium regions, which indicates the potential of the newly-developed solution to capture both thermochemical and rarefied nonequilibrium effects. The comparisons between the present solver and NCCR model without a two-temperature model are also conducted to demonstrate the significance of vibrational energy source term in the accurate simulation of high-Mach flows.     

跨音速喷管化学反应流数值模拟

用时间相关的半隐格式有限差分数值方法求解了化学非平衡反应跨音速喷管流场，在喷管收敛段，流动接近化学平衡状态，控制方程的刚性问题严重，数值积分困难。通过对时间差分项隐式离散、对空间差分项显式离散，流场边界采用参考平面上的特征线法计算等，成功地解决了由于化学反应有限速率带来的数值解不稳定问题。该格式简单、需要计算机存贮空间少。本文完成了一维和轴对称非平衡化学反应喷管流动计算，并与化学平衡流和冻结流的计算结果做了比较。