态-态模型下N_2/N混合物的热化学非平衡过程研究

热化学非平衡流模拟中广泛应用的双温度或多温度模型不能描述分子在各振动能级上的分布,只能假设其满足振动温度下的Boltzmann分布。通过采用态-态模型研究非平衡过程中粒子的能级分布特点,有望为改进双温度或多温度模型提供思路。对静止的N2/N气体混合物,在各类不同初始条件和控制温度、压力下,采用态-态模型研究气体的化学组成和分子振动能级分布演化规律,分析各类微观过程的特征与贡献,结果表明:平动-振动能量交换过程起支配作用,促使振动能级分布趋于平动温度下的Boltzmann分布,而振动-振动能量交换过程主要影响能级分布变化的过渡过程特点;离解区和复合区能级分布的变化特点不同;关于非平衡过程中粒子微观分布的研究结果可为改进高超声速非平衡流模拟中的热化学模型提供参考依据。     

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.     

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。     

态-态模型下的O2/O系统热化学非平衡与辐射过程

采用态-态模型,研究包含振动能级跃迁、化学反应和辐射跃迁的O_2/O系统的非平衡过渡过程。对静止的O_2/O气体系统,设定不同的初始条件,突然降温或升温至3000K、10 000K、20 000K后保持等温等容,数值模拟组元质量分数、振动能级分布和辐射特性随时间的演化过程,分析不同条件下各类过程趋近平衡的松弛时间、稳态平衡结果等特征,以及辐射和热化学非平衡过程的相互影响特点。结果表明,态-态模型得到的振动温度趋近平衡值的特点与双温度模型所描述的不同,有时振动温度随时间甚至出现非单调变化的现象,非平衡过渡过程中的振动能级分布也不满足振动温度下的玻尔兹曼分布。本文算例显示出O_2/O系统在高温条件下的非平衡辐射特征,不过辐射跃迁对热化学非平衡过程的影响不明显,非平衡辐射的特征时间达到振动松弛时间的10倍以上。     

一维非平衡喷管流动计算

引言 在电弧风洞的运行中,喷管前室的气流温度很高,空气各组元之间会发生化学反应,双原子组元还要出现振动激发。混合气体通过喷管加速,化学反应和双原子分子的振动都达不到平衡,结果使得喷管各处流场参数与平衡流的计算数据有些差异,这就是喷管流动的非平衡效应。     

DSMC热化学模拟分子数对氮氧离解反应计算影响的分析

准确模拟高速流场中的热化学非平衡问题一直都是各种流场数值计算的难点。DSMC作为一种有效的流场模拟方法,从统计学的角度而言,作为统计母体的模拟分子数是影响计算准确性的关键。Bird等[Bird,1990]针对不涉及热化学非平衡的流场提出了一个统一的模拟分子数选取规则。本文在热浴条件下使用DSMC模拟了空气中三种常见氮氧气体的离解反应,对涉及热化学非平衡的流场中模拟分子数对DSMC精度的影响进行了分析。结果表明:与Bird针对普通流场所提出的统一模拟分子数选取规则不同,在不同的流场物理条件(本文主要为温度)下,得到正确结果的模拟分子数阈值与温度成正相关(最小离解度与最大离解度模拟分子数选择下限相差10倍),超出阈值后增加模拟分子数对流场精度并无明显提高,这一结果与Parker的分子能量传递理论相符。从保证计算精度和平衡计算效率的角度,本文的结论对DSMC非平衡流场模拟具有参考价值。     

Q-K模型在氮氧离解复合反应中的评估

总能碰撞模型(TCE)是直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法中最为广泛使用的化学反应模型,本文通过对比TCE模型对最近提出的量子-动理学(Q-K,quantum-kinetic)模型进行数值评估,并对二者之间的差异给出合理的分析说明。研究结果表明,Q-K模型在整个离解度范围内与理论值精准吻合,TCE模型在低离解度时则具有较大的误差。在描述离解速率中的非平衡效应时,Q-K模型与Park双温度模型高度吻合,而TCE模型却高估了这种非平衡效应。此外,本文结果还表明,TCE模型实现的非平衡离解速率比Q-K模型更接近Park双温度模型的结果。     

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...     

高超声速喷管非平衡黏性流动的数值研究

分别采用平衡气体模型、化学非平衡气体模型和热化学非平衡气体模型,通过求解轴对称Navier-Stokes方程组,数值模拟了法国Marseille高焓激波风洞锥型喷管(H₀=10.3MJ/kg),分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、振动温度、马赫数和组分质量数在轴对称线上的分布与喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果。计算结果表明:化学反应速度加快,会导致喷管出口温度增加,振动能的冻结会导致喷管出口温度降低。     

气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究

本文采用完全气体模型、振动激发气体模型、平衡气体模型、一温度非平衡气体模型、两温度非平衡气体模型和三温度非平衡气体模型进行了钝体高超声速绕流流场的数值计算。分析了各种气体模型对激波脱体距离、壁面热流、温度分布和密度分布等的影响。结果表明：采用两温度（或三温度）非平衡气体模型计算的激波脱体距离更接近实验情况；采用平衡气体模型计算的壁面热流量高，一温度非平衡气体模型完全非催化的壁面热流最低，而完全气体模型的壁面热流在两者之间。最后给出了各种气体模型的密度等值线比较图。     

Vibrational relaxation of CO2 (m,nl, p) in a CO2-N2 mixture. Part 1: Survey of available data

The knowledge of the vibrational relaxation reaction rates of diatomic and triatomic molecules is required for the modelling of numerous gaseous mixtures such as the Earth atmosphere (involving radiation transfer phenomena), exhaust plumes, afterbody wakes, Mars atmosphere, shock waves and chemical lasers. It enables a better understanding of the chemical reaction product rates and provides the populations of the radiating levels. In this study, we consider the few lowest vibrational levels of a CO₂-N₂ mixture and the V-T and V-V energy transfer processes between these levels. The reaction rates given by experimental and theoretical studies and by different surveys of data supplied by a bibliographic search are presented. Then, comparisons of the data available for the most important processes are shown. The usual assumptions concerning the vibrational relaxation of CO₂ (m, n^l, p) are recalled and briefly discussed.     

Effects of chemical energy accommodation on nonequilibrium flow and heat transfer to a catalytic wall

The accurate prediction of the aeroheating performance of hypersonic vehicles requires more detailed modeling of the catalysis process, rather than merely employing a catalytic coefficient. In this paper, the theoretical modeling, as well as the direct simulation Monte Carlo method, is used to preliminarily study the incomplete chemical energy accommodation effects, that is, only a part of the potential energy released in the heterogenous recombination reaction is transferred to the surface, while the remaining is retained as the vibrational energy of the desorbed molecule. An integrated model is proposed to describe the contribution of each energy mode in the rarefied nonequilibrium heat and mass transfer process. Based on the model and several Damköhler numbers, an analytical formula is derived, and is also shown to compare well with the numerical results. On account of the incomplete accommodations of the chemical and vibrational energy on the wall, a variation up to 20% is observed in predicting the stagnation point heat flux under typical nonequilibrium flow conditions. This study could enrich our understanding of the nonequilibrium heat transfer phenomenon and also shows a potential practical value.     

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。     

均匀气体中内自由度激发松弛与离解反应的直接统计模拟

空间均匀气体内自由度的激发松弛及离解反应,用直接模拟蒙特卡罗方法进行了数值模拟。为模拟非弹性碰撞,采用与变径刚球模型(VHS)相结合的Larsen-Borgnakke模型。振动能与转动能分别考虑,为此发展了一种对有奇异性的分布的取样法,即积累分布-取舍联合法。确定了与实验松弛时间相符的非弹性碰撞数Z_V,Z_R,得到了有转动、振动激发耦合的离解反应的满意的直接模拟。     

化学非平衡喷管流计算方法的研究

本文提供了考虑化学反应非平衡和振动非平衡的喷管流动计算方法。在忽略扩散、粘性和热传导及辐射损失的假设下，得到完全气体一维定常流动方程，再加上振动能松驰方程和化学反应速率方程即可数值积分求解。采用扰动法得到接近平衡流的一组积分初值。采用“逆积分方法”求解通过喉道。计算结果是令人满意的。     

强激波阵面的非平衡特性研究

利用测量强激波波后N_2~+第一负系(0,0)带和(1,2)带的辐射,对强激波后振动温度历程的进行了测量;利用Langmuir探针技术,在低密度激波管中对强激波后电子数密度历程进行了测量;在弹道靶中进行了激波脱体距离的测量研究.测量和计算结果进行了对比,结果表明:N_2~+B~2∑_u~+态的激发比振动能的激发更快:实验测得的振动温度有明显的周期性振荡;在激波速度7.65km/s～7.85km/s、p_1=1.33Pa、实验段内径0.8m下,实验有效时间只有约6.5μs,实验中的电子数密度不能达到峰值,在约10倍波前自由程的实验有效区域内,电子数密度的测量值与计算值吻合很好.激波脱体距离的测量误差约为5%,是目前国内精度最高的结果.     

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。