高超声速热化学非平衡钝体绕流数值模拟

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动能源项采用了点隐式的处理,提高了计算效率。对球锥模型和RAM-CII飞行实验等算例进行了数值气动热模拟,分析了不同非平衡模型在热化学非平衡条件下流场的影响。计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。     

化学非平衡边界层绕流计算

本文介绍用化学非平衡边界层方程组,数值计算高超声速钝头体绕流流场、组元浓度和电子密度分布情况。计算中考虑了电离空气的七种主要成分以及相互间的化学反应,比较了变熵、普朗特数及Lewis数的影响,讨论了完全催化壁和非催化壁两种情况,计算结果与文献及试验进行了比较,结果令人满意。     

一种新的用于MHD方程逆风格式的Jacobian矩阵分裂方法

针对理想MHD方程,提出了一种新的基于MacCormack算法的雅可比矩阵分裂方法,克服了原有方法稳定性差的问题,并成功地应用于理想MHD方程的求解.控制方程在非结构混合网格上进行空间离散,其中对流项采用本文发展的逆风向量分裂格式,并引入了双曲型磁场散度清除技术,时间推进为显式5步龙格-库塔方法.对MHD激波管流动和带均匀磁场干扰的二维高超声速钝头体绕流流场进行了数值模拟,得到了与参考文献相吻合的数值结果,表明本文发展的数值分裂方法可以有效地捕捉MHD流场的流动特征,并且具有比MacCormack方法更高的稳定性和计算精度.     

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%。     

考虑多种物理效应的钝锥俯仰稳定性参数影响分析

首先采用二阶ROE格式计算了非定常NS方程下高超声速钝锥体的俯仰阻尼导数,通过与文献中内伏牛顿法和实验结果对比验证了本文所采用非定常计算方法的正确性.同时采用二阶ROE格式及双时间步长、刚性旋转动网格技术等,数值分析了NS方程计算条件下高空高马赫数钝锥体模型的强迫振动非定常流场特征,并运用最小二乘法辨识出其俯仰静稳定性导数与俯仰阻尼导数.通过计算结果对比分析了不同高度(含稀薄气体效应)、Maxwell滑移边界条件及五组元化学非平衡模型对钝锥体模型非定常流动特征及静、动导数的影响.结果分析表明,本文所计算的钝锥模型在所假设强迫振动下的俯仰稳定性参数随高度变化剧烈,且考虑滑移边界条件与化学反应会使得俯仰力矩迟滞曲线形态发生较大程度改变.准确计算高空、高马赫数条件下飞行器俯仰阻尼导数应考虑化学非平衡效应和稀薄气体效应的影响,是否考虑这些物理效应会关系到飞行器静、动稳定的程度.     

非平衡流计算方法及其模拟激波诱导振荡燃烧

给出一种数值模拟高超声速化学非平衡流动的计算方法，采用流动项与化学反应生成源项解耦处理，即可以有效地解决非平衡流动计算中遇到的刚性问题，还具有公式推导简单和应用方便的优点。从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超音速H2／Air预混合气体钝体绕流场，较好分辨出流场中激波诱导振荡燃烧非定常流动现象，表明计算方法具有较高的精度。对计算方法的效率和网格数的影响也进行研究。     

电导率模拟对高超声速MHD控制影响

高温气体电导率是高超声速电磁流动控制数值模拟最重要的参数之一。针对电导率模拟准确性及其对高超声速磁流体控制影响的问题，考虑高超声速飞行器流场中高温气体热化学非平衡效应，采用三维低磁雷诺数磁流体动力学（MHD）数值模拟方法及程序，结合国内外常见电导率处理方法开展典型状态高超声速MHD控制数值模拟，分析电导率模拟对高超声速磁流体流场分布、气动力/热特性的影响。研究表明：磁控热流减缓效果与电导率呈非线性关系，电导率较大时将出现电导率的磁控热饱和现象，其产生的原因可能与化学反应趋向于平衡态存在一定关系；采用定电导率方法，会人为放大磁场洛仑兹力的磁阻力效果，使阻力系数的预测值偏大；不同电导率模型计算得到的电导率分布差异很大，甚至存在数量级的差别，显著影响了磁流体的控制效果，这与电导率模型的适用范围、参数选取原则存在很大关联；对于含多种离解、电离组分的高温气体流动来说，采用基于多电离组分迁移碰撞的电导率模型（本文模型M8），计算与试验一致性最好。     

高超声速化学非平衡粘性激波层方程的数值解

本文讨论了高超声速粘性激波层方程数值计算时差分格式引起的物理失真问题。具体分析了全隐格式格式粘性的影响,并作了数值试验。为了验证隐式结果的可靠性。在超声速激波风洞中测量了钝锥的表面压力分布,并与计算结果作了比较,两者基本一致。 本文采用隐式有限差分法数值计算了高超声速化学非平衡粘性激波层绕细长球锥的流动。计算时采用连续方程和法向动量方程耦合求解的方法以解决细长体远后身区计算中的问题。应用网格技术和加强系数矩阵主对角元素优势的方法提高了化学非平衡流计算的雷诺数范围。文中给出了高超声速化学非平衡流的计算结果,并与其它文献的结果作了比较。     

甲烷/空气超声速燃烧流动数值模拟

用流动项与化学反应生成源项解耦处理的化学非平衡流动计算方法，从薄层近似三维N-S方程出发，采用ENO差分格式数值模拟了超声速冲压加速器简化模型中，高速甲烷气流从后体多个喷口射入高超声速空气流形成流场，研究了高温异质气体效应和19组分65反应模型的非平衡效应对冲压加速器表面压力分布的影响。计算表明新型解耦方法适合反应机理复杂的碳氢燃料超燃冲压发动机内部流动模拟，为开发应用软件系统打下基础。     

高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟

高超声速飞行器在特定工况下飞行时，其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用，但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模拟(DNS)研究，对比分析了化学非平衡效应对湍流统计量、湍流脉动量的影响趋势，并研究了高温湍流边界层标度律。计算结果表明，以吸热离解反应为主的化学非平衡效应会使边界层平均温度和脉动温度显著降低，但对平均速度剖面、速度脉动、雷诺应力的影响较小；在高温化学非平衡湍流边界层的对数区，各流动参数的拓展自相似理论的相对标度指数基本符合标度律。     

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。     

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.      

三维化学非平衡无粘流场的数值模拟

本文用ＮＮＤ格式求解了化学非平衡流场，利用点隐式处理组分连续方程的刚性，采用全流场激波捕捉办法和特征理论，成功地进行了物面边界条件的处理，模拟了高马赫数来流条件下捻激波流场。化学反应采用了五组分五反应模型，建立起来的三维流场计算程序可用于复杂外形化学非平衡无粘流场的数值模拟。     

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。     

COIL化学非平衡流动的一种解耦方法研究

提出了一种计算氧碘化学激光器化学非平衡流动的解耦方法.求解二维可压缩非定常N-S方程及组分连续方程,计算氧碘化学激光器中的组分混合反应流场.空间离散格式为AUSM up格式,用四步龙格-库塔方法作显式时间推进.假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型.使用一种"点隐式"方法来处理化学源项的刚性问题.计算结果表明本文方法可以有效解决计算中的刚性问题,与现有隐式算法相比减少了大量的矩阵运算,公式推导简单,易于实现和改进.     

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.