非结构网格热化学非平衡Navier-Stokes方程组求解技术研究

采用非结构混合网格数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程组获得高超声速流场各组分气动热力学参数,并计算物面热流值。利用有限速率化学反应模型和二温度气体模型分别描述化学非平衡和热力学非平衡过程,通过Park振动——离解模型刻画化学非平衡和热力学非平衡耦合效应。无黏通量项采用AUSM格式离散;对无黏通量项和源项采用隐式时间推进格式,增强数值求解过程稳定性。数值算例表明,为得到正确的物面热流值,非结构混合网格边界层y+需减小至0.5,且网格增长率不超过1.4;采用元素摩尔数守恒关系式计算化学反应源项,可有效降低数值残差积累对计算小组分气体的不利影响,提高各气体组分计算准确度。     

DSMC量子动理学化学反应模型的数值模拟

为评估直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法中新近发展的一种量子动理学（QK）化学反应模型,在自研高超声速稀薄气体流动数值模拟软件RariHV中实现该模型,并进行了单个绝热单元内的热泳平衡/非平衡反应测试。结果表明,数值解与理论解吻合良好,QK模型具有很好的预测化学反应流动的能力。为进一步验证QK模型在真实流动中的表现,还计算了高超声速绕圆柱的化学反应流动,QK模型计算的驻点线上温度和组分分布都与总碰撞能（TCE）模型结果吻合良好。相较于TCE模型,QK模型的优势是不再依赖反应速率系数的实验数据,在深空探测等化学反应数据缺乏的领域具有一定的应用前景。     

前缘钝化和化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道特性的影响

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对不同顶板、唇口前缘钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟,结果表明：相比基准进气道,钝化后进气道上壁面温度边界层厚度较大,下壁面温度边界层厚度较小;在化学非平衡气体模型下,顶板前缘钝化半径(R1)>2mm时进气道的顶板附近和分离区内离解反应较为明显,唇口前缘钝化半径(R2)>2mm时进气道的唇罩、唇口板附近离解反应较为明显;当钝化半径≥4mm时,两种气体模型下进气道出口总压恢复系数和静温的相对变化量绝对值大于0.5%,有必要考虑化学非平衡气体效应对进气道出口性能的影响。     

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。     

考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性

非平衡凝固是过冷条件下水滴凝固过程的重要现象。本文针对飞机结冰过程过冷水滴的非平衡凝固效应,发展了改进的凝固特性预测模型及数值计算方法,并自行搭建了实验系统,开展了所建过冷水滴凝固模型与数值预测方法的实验验证。研究表明,所发展的改进模型可有效表征水滴过冷阶段的非平衡凝固效应,因而对冷水滴凝固速率的预测有较好的改进;当过冷度为0℃时,过冷模型退化为传统模型。基于所建方法,开展了过冷度及冷却条件对水滴凝固特性的影响分析,获得了不同条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。研究表明,过冷度越大或水滴尺度越小,凝固速率相对越高;在考虑非平衡凝固效应的条件下,过冷水滴凝固速率要高于不考虑非平衡凝固效应的工况。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供参考。     

高温非平衡氮组分多温度振动-离解耦合模型

基于多温度模型的基本思想,从惟象角度分析了非平衡状态下双原子分子振动态分布的特征信息。研究了双原子分子在非平衡弛豫过程中振动—离解耦合特点,认为较低和较高振动态首先达到相对独立的准平衡状态,较高振动态的局域离解造成的相对数密度分布密度差将导致各个振动态数密度从新分布;而这一过程也是系统通过V-V传能、T-V传能不断把位于较低振动态的分子通过中间振动态激发到较高振动态,为离解做能量积累的过程。通过对目前较常用的Hammerling假设的修正,用中间振动态数密度分布情况重新定义了双原子分子非平衡态下的振动温度,建立了新的关联振动-平动温度的双原子分子振动态非平衡近似分布模型。通过模拟氮分子非平衡激波加热过程结果表明,本模型较好地预报了氮分子非平衡振动松弛过程中"诱导期"以及平均振动能、振动温度的时间特性。     

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000～2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。     

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。     

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。     

正激波结构与反射的蒙特卡罗模拟

本文用变径刚球模型(VHS)与Larsen-Borgnakke模型借助直接模拟蒙特卡罗方法模拟正激波结构与反射问题。直接模拟显示了分子间作用力幂次对激波剖面的影响,平动自由度经激波的非平衡效应,双组分气体经激波的组分分离效应,有转动自由度激发(双原子分子)气体中激波结构、传播和反射、双原子轻分子作为载体的混合气体激波结构中重气体的温度超出等。