高速可压反应流的二维简化离散玻尔兹曼模型

如何有效模拟高速反应流现象是当前航空航天、能源与动力工程等领域的难点和热点。为此,本文提出了适用于超声速可压缩反应流的简化离散玻尔兹曼模型（DBM）。该模型基于动理学方法,使用形式统一的离散玻尔兹曼方程描述化学反应流的演化过程。在方程右侧,通过化学反应项将化学反应与多物理场自然耦合。该DBM使用二维九速模型,其离散速度分为三组,每组大小独立可调。为了描述分子转动和振动对应的额外自由度,引入了三组独立可调的参数用于描述额外自由度部分的内能。由此,该DBM具备了模拟比热比可调的反应流系统的功能。另外,平衡态离散速度分布函数与化学反应项各自满足九个独立的矩关系,其表达式都可以通过矩阵求逆的方式获得。通过ChapmanEnskog多尺度分析可以证明,该DBM除了能够在连续性极限条件下恢复描述化学反应流的Euler方程组之外,还具有描述一定热力学非平衡行为的功能。最后,通过数值算例表明,该DBM的数值结果与理论解吻合。     

多相流系统的离散玻尔兹曼研究进展

针对多相复杂流体系统模拟研究,简要介绍从格子气模型到离散玻尔兹曼方法的发展历程.从统计物理学基本原理出发,通过粗粒化建模思路,给出玻尔兹曼方程;分析Chapman-Enskog多尺度展开方法所蕴含的测量逐步细化的物理图像,给出离散玻尔兹曼建模的基本原则和主要步骤.简要介绍离散玻尔兹曼在相分离、燃烧、流体不稳定性等系统中的应用.对于多相复杂流体系统的动理学建模,技术关键是分子间作用力和化学反应贡献的引入.不同颜色的示踪粒子的引入,使得在单流体理论框架下即可实现混合过程中物质粒子来源的确定;示踪粒子在其速度相空间的分布所形成的结构蕴含丰富的流场信息,为复杂流场研究张开一个全新的视角.在多介质情形,离散玻尔兹曼建模与动理学宏观建模的对应关系是一对多.随着系统非平衡程度加深,相对于动理学宏观建模与模拟思路,离散玻尔兹曼建模与模拟的复杂度上升速度较慢.作为系统行为粗粒化描述的一种物理模型构建方法,离散玻尔兹曼根据研究需求,选取一个视角,研究系统的一组动理学性质,因而要求描述这组性质的动理学矩在模型简化过程中保值;是动理学直接建模方法的一种,为连续介质建模失效或物理功能不足、而分子动力学方法因适用尺度受限而无能为力的介尺度情形提供了一条方便、有效的研究途径.     

离散时空直接建模思想及其在模拟多尺度输运中的应用

统一气体动理学格式是基于离散空间直接建模的思想构建的多尺度数值格式。本文对统一气体动理学格式近十年的发展进行总结,并对未来的发展方向进行展望。统一气体动理学格式的建模思路突破了传统偏微分方程数值离散求解的制约,回归物理建模的出发点,基于守恒定律在离散时空有限尺度的控制体上进行建模,利用网格界面处的动理学方程时间演化解构建数值通量,从而构造出有限控制体上取决于网格尺度和时间步长的气体动力学控制方程。统一气体动理学格式建模有两个关键点:一是宏观守恒量与微观分布函数耦合演化,二是通过界面处的多尺度时间演化解构建数值通量。统一气体动理学格式是一种多尺度数值格式,根据网格努森数能够准确捕捉从稀薄到连续不同流域的流体物理。从某种意义上说气体动理学格式提供了有效的随不同网格努森数变化的连续性方程,即连续流的纳维-斯托克斯(N-S)方程和稀薄流的波尔兹曼(Boltzmann)是统一气体动理学格式在网格努森数很小和很大情况小逼近的两个极限方程。对于连续流的黏性边界层问题的捕捉,统一动理学格式不要求网格尺度小于粒子平均自由程。统一气体动理学格式成功应用于多尺度气体输运,等离子体输运,中子、光子输运,以及气固离散两相流等领域的数值模拟,在计算精度和计算效率上都体现出明显优势。尤其对于等离子体的输运计算,统一气体动理学格式提供了一个在连续变化尺度上的模拟方法,包括从求解电子、离子的自由输运的Vlasov动理学方程到连续流域内的双流体方程以及磁流体方程。本文总结了统一气体动理学格式的建模思想,数值性质,以及格式在不同领域的应用。     

考虑分子转动自由度的离散统一气体动理学格式

离散统一气体动理学格式（DUGKS）是一种适用于全流域模拟的有限体积方法。之前的研究考虑了分子平动自由度，验证了DUGKS在多尺度问题中的准确性及稳定性。本文基于Rykov模型方程构造了离散统一气体动理学格式，并采用Landau-Teller-Jeans转动能量松弛模型，可用于双原子气体从连续流动到稀薄流动的多尺度问题计算。测试了激波结构、超声速平板绕流以及超声速圆柱绕流等非平衡流动问题，计算结果显示出双原子气体分子中存在平动自由度与转动自由度对应的能量交换过程，并与统一气体动理学格式（UGKS）、直接蒙特卡罗（DSMC）方法的解以及实验值吻合较好。     

多模态瑞利-泰勒不稳定性的离散玻尔兹曼数值研究

瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor,RT）不稳定性广泛存在于自然界和工程领域，认清RT不稳定性演化过程中的物理机理具有重要的理论意义和实用价值。本文利用离散玻尔兹曼方法模拟了可压缩流体的RT不稳定性现象，并利用该方法对界面连续的随机多模初始扰动的可压缩RT不稳定性进行了数值研究。研究结果表明，在温度梯度的影响下，与热通量相关的热力学非平衡强度呈现先增大后减小的趋势；在热扩散作用下，界面上的热力学非平衡强度先减小后增大，继而影响热力学非平衡区域的占比，使之呈现相同的变化趋势。最后，分析了全局平均热力学非平衡强度随时间的演化规律，发现在宏观物理量梯度和热力学非平衡面积的共同作用下，全局平均热力学非平衡强度先增后减，最后趋于稳定。不仅如此，热力学非平衡区域面积的增大（减小）会增强（减弱）热力学非平衡的强度；同时，物质界面物理量梯度的增大（减小）对全局平均热力学非平衡强度也有相同的影响，二者相互作用、相互竞争。     

燃烧加热风洞中水蒸气相变的数值研究

采用带有非平衡相变模型和考虑高温气体效应的平衡流动模型的数值方法,模拟了燃烧加热高超声速风洞中燃烧生成的水蒸气在喷管流动中发生相变的物理过程,研究了水蒸气凝结对下游流场参数的影响和凝结后气流进入试验段时尖劈模型斜激波后发生液滴蒸发两种典型情况。研究表明,凝结产生的潜热使试验气流参数偏离初始设定的风洞出口模拟流场;在流场中产生的凝结激波,将加剧凝结对风洞出口参数的均匀性的影响;对出口马赫数为6的喷管,为了模拟静温为220K的高超声速飞行环境,水蒸气的凝结将难以避免;带液滴试验气流经斜劈压缩后液滴蒸发,斜激波后气流热力学参数不能恢复到无相变时斜激波后的状态,将影响模型实验的测力等数据。     

可压缩湍流的多尺度分析

作者的研究团队近几年在可压缩湍流的多尺度性质方面开展了系统的研究工作。通过多过程分解,研究了可压缩湍流中的速度和热力学量的剪切部分、胀压部分、伪声模态、声模态、熵模态的多尺度性质,并总结了各类可压缩条件下的速度和热力学量的谱的标度律。通过滤波方法,研究了动能和热力学量的多尺度传输现象,并重点分析了可压缩性对动能胀压部分的多尺度传输的影响。在可压缩均匀剪切湍流中,可压缩效应更加明显,可压缩湍动能和耗散率等物理量的马赫数标度率与各向同性湍流类似,但胀压分量所占比重更大,并且变形速度张量特征值的概率密度函数和流动拓扑结构的比例分布等统计量随马赫数的变化也更加明显。对于振动非平衡可压缩各向同性湍流,平动-转动内能模式和振动内能模式间的弛豫效应导致密度梯度与振动温度梯度方向的偏离,从而弱化了流场中压缩和膨胀运动对振动弛豫率的影响。化学反应放热会显著增加流场的压缩与膨胀运动,导致速度胀压分量和热力学量的能谱在所有尺度均增大,湍动能和耗散率的标度律表现出马赫数无关性。     

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

涡轴发动机建模原理

<正>涡轴发动机部件法建模的主要建模思路是根据发动机各部件的气动热力学关系逐步建立各个部件的气动热力学方程,用相应的气动热力学方程代替涡轴发动机的真实工作部件,再由发动机工作必须遵守的气动热力学和转子动力学平衡关系将各个部件串联起来,形成共同工作方程组,对这些非线性方程组求解即可得到发动机所有参     

分子气体稀薄效应的动理学建模

稀薄气体效应,是指气体在特征尺度与其分子平均自由程相当的系统中流动时出现的非平衡效应.相比于单原子气体,分子气体(每个气体分子包含两个及以上原子)流动因同时具有转动、振动等多种自由度的非平衡过程,其稀薄效应更为复杂.分子气体稀薄效应在航空航天、微机电系统和页岩气开采等民生、科技领域广泛存在,而描述该效应的动理学模型与数...     

不同初始温度下等离子体对H2/Air混合物燃烧影响

等离子体助燃过程是一个非平衡的,瞬时的,极不均匀的物理化学过程,活性粒子在等离子体助燃计算中是一个关键难题。文章建立H2/Air燃烧的化学动力学模型,计算与分析了在非平衡等离子体条件下,气体放电产生的活性粒子(O,H)和活性基(OH)在不同初始温度下对燃烧过程中参与燃烧的组分以及温度和压力的影响,为航空发动机燃烧室等离子体助燃实验研究和实际应用提供理论依据。数学模型的计算结果表明等离子体助燃可以提高反应效率,缩短延迟时间,增加燃烧温度,火焰传播速率,强烈影响H2/Air混合物燃烧效果。     

部分平均Navier-Stokes方法模拟超声速斜面空腔流动

采用部分平均Navier-Stokes (PANS)方法对超声速斜面空腔流动进行了数值模拟研究,评估其对于超声速非定常湍流模拟的性能,并与雷诺平均N-S(RANS),脱体涡模拟(DES)的计算结果及实验数据进行对比.研究表明:模化湍动能比例全场可变的PANS方法预测的速度、壁面压力和摩擦力系数分布与DES的结果非常接近,都与实验值吻合得较好,优于RANS的计算结果;非定常雷诺平均N-S(URANS)计算的自由剪切层近乎为二维稳态的,而DES和PANS方法可以求解出更为丰富的流动结构;模化湍动能比例全场统一的PANS方法虽然可以求解出相比RANS更多尺度的流动结构,但在近壁区不能回归到RANS模型,预测的湍流边界层的速度型偏离对数律,后续的流动计算也偏离实验数据.      

高温气体效应对高超声速磁流体控制的影响

高温气体效应会严重影响高温气体流场的流动特性，进而影响高超声速磁流体控制效率。基于低磁雷诺数假设，通过耦合求解带电磁源项的三维Navier-Stokes流场控制方程和电场泊松方程，开展完全气体模型、平衡气体模型、化学非平衡气体模型、热化学非平衡气体模型等条件下的高超声速磁流体控制数值模拟，分析气体模型对磁流体控制的影响，研究高温气体各种非平衡效应及焦耳热振动能量配比等对高超声速磁流体控制的影响规律。研究表明：化学非平衡效应对高超声速磁流体控制影响显著，采用化学非平衡气体模型模拟得到的磁控增阻特性介于完全气体模型和平衡气体模型之间，平衡气体和完全气体模型磁控热流变化的定性规律，与非平衡气体模型模拟结果差异很大；热力学非平衡效应对高超声速磁流体控制的影响，与焦耳热振动能量作用比率紧密相关，随该配比增大，磁场增阻效果由67%降到约12%；高温气体效应会极大地降低磁控增阻效果，会明显地增强部分表面区域的磁控热流减缓效果，要准确数值模拟高超声速磁流体控制，必须有效地考虑化学和热力学非平衡效应，同时选用接近实际情况的焦耳热振动能量配比。     

A quasi-one-dimensional model for hypersonic reactive flow along the stagnation streamline

This study proposes a quasi-one-dimensional model to predict the chemical non-equilibrium flow along the stagnation streamline of hypersonic flow past a blunt body. The model solves reduced equations along the stagnation streamline and predicts nearly identical results as the numerical solution of the full-field Navier-Stokes equations. The high efficiency of this model makes it useful to investigate the overall quantitative behavior of related physical-chemical phenomena. In this paper two important properties of hypersonic flow, shock stand-off distance and oxygen disso-ciation, are studied using the quasi-one-dimensional model with the ideal dissociating gas model. It is found that the shock stand-off distance is affected by both chemical and thermal non-equilibrium. The shock stand-off distance will increase when the flow conditions are changed from equilibrium to non-equilibrium, because the average density of the shock-compressed gas will decrease as a result of the increase in translational energy. For oxygen dissociation, the maximum value of its dis-sociation degree along the stagnation line varies with the flight altitude. It is increased at first and decreased thereafter with the altitude, which is due to the combination effect of the equilibrium shift and chemical non-equilibrium relaxation. The overall variation of the maximum dissociation is then plotted in the speed and altitude coordinates as a reference for engineering application.     

Influence of fuel injection position and equivalent mixture ratio on chemical non-equilibrium effects of single expansion ramp nozzle

Chemical non-equilibrium flow was investigated for the scramjet single expansion ramp nozzle(SERN) with a strut-based liquid-kerosene-fueled combustor.Two-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations were solved with the species conservation equation for continuous phase and the renormalization group(RNG) k-ε turbulence model.Lagrangian discrete-phase model was analyzed for liquid-kerosene droplets behavior in the supersonic stream.Combustion was simulated by kerosene surrogate fuel's 10-species and 13-step reduced reaction kinetics mechanism with use of Arrhenius's laminar finite rate model.Parametric studies were carried out to estimate the influence of different fuel injection positions and equivalent mixture ratios on the SERN chemical non-equilibrium effects.Numerical calculation results show that the strut-based combustor enables convenient modeling of various SERN entry conditions,which is similar with many preceding investigations,by changing the injector strut position and controlling the mass flow rate of each injector.Chemical non-equilibrium effects function in the whole SERN,especially in the initial flow expansion region,leads to obviously higher SERN performance of the non-equilibrium flow than that of the frozen flow.Furthermore,the distributed fuel injection pattern plays a significant role in enhancing the combustion efficiency in combustor,but weakening the chemical non-equilibrium effects funciton in SERN.Additionally,while the equivalent mixture ratio increases,the SERN thrust coefficient and lift coefficient rise gradually,and the increment of non-equilibrium flow in relation to frozen flow becomes higher as well.To be specific,the equivalent mixture ratio is 0.6,the maximum increment of thrust coefficient and lift coefficient are 11.6% and 25% respectively.      

再入体实验模型热化学非平衡绕流流场的数值分析

利用数值求解一个和多个振动温度热化学非平衡Navier-Stokes方程的CFD计算程序,对爆轰风洞球锥试验模型的热化学非平衡绕流流场进行了数值模拟,分析了分子组分振动温度在全流场(头身部流场和底部流场)中的分布规律.研究结果表明:(1)计算的压力、电子数密度以及流场的光辐射数据与试验数据符合较好;(2)在再入体身部,大多数分子的振动温度峰值大大高于平动温度的峰值;在再入体近尾出现振动温度冻结并大大高于平动温度的现象;CO2的两个振动态的振动温度分布非常接近平动温度分布.     

电弧喷射推力器化学非平衡数值模拟

为了准确把握电弧喷射推力器工作过程物理机理与特征,采用化学非平衡模型对不同压缩室直径下低功率氮电弧喷射推力器工作情况进行了数值模拟。模型考虑了工作过程中的分解反应、电离反应和复合反应,化学动力学模型为4组分,4反应的有限速率化学反应模型。采用二阶精度NND格式数值求解耦合电磁源项和化学反应源项的N S方程组,采用有限控制容积积分方法求解由麦克斯韦方程组推导出的电磁场方程。数值模拟的结果揭示了推力器内部电弧能量输入作用和高温电离气体的离解电离状况,给出了不同压缩室直径下推力器的推力、比冲和推进效率。结果分析表明,压缩室直径对推力器性能具有较大影响。     

Theoretical investigation of shock stand-off distance for non-equilibrium flows over spheres

We derived a theoretical solution of the shock stand-off distance for a non-equilibrium flow over spheres based on Wen and Hornung’s solution and Olivier’s solution. Compared with previous approaches, the main advantage of the present approach is allowing an analytic solution without involving any semi-empirical parameter for the whole non-equilibrium flow regimes. The effects of some important physical quantities therefore can be fully revealed via the analytic solution. By combining the current solution with Ideal Dissociating Gas (IDG) model, we investigate the effects of free stream kinetic energy and free stream dissociation level (which can be very different between different facilities) on the shock stand-off distance.     

Influence of non-equilibrium reactions on the optimization of aerothrust aeroassisted maneuver with orbital change

The spaceplane is perspective vehicle due to wide maneuverability in comparison with a space capsule. Its maneuverability is expressed by the larger flight range and also by a possibility to rotate orbital inclination in the atmosphere by the aerodynamic and thrust forces. Orbital plane atmospheric rotation maneuvers can significantly reduce fuel costs compared to rocket-dynamic non-coplanar maneuver. However, this maneuver occurs at Mach numbers about 25, and such velocities lead to non-equilibrium chemical reactions in the shock wave. Such reactions change a physicochemical air property, and it affects aerodynamic coefficients. This paper investigates the influence of non-equilibrium reactions on the aerothrust aeroassisted maneuver with orbital change. The approach is to solve an optimization problem using the differential evolution algorithm with a temperature limitation. The spaceplane aerodynamic coefficients are determined by the numerical solution of the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The aerodynamic calculations are conducted for the cases of perfect and non-equilibrium gases. A comparison of optimal trajectories, control laws, and fuel costs is made between models of perfect and non-equilibrium gases. The effect of a chemically reacting gas on the finite parameters is also evaluated using control laws obtained for a perfect gas.