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.     

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。     

高温高速稀薄流的DSMC算法与流场传热分析

在非结构网格下,研究了热力学碰撞传能的6种方式和化学反应的8种类型,详细给出了上述碰撞传能和化学反应碰撞类型的子程序计算框图.在可变硬球(VHS)分子模型、Borgnakke-Larsen唯象模型、Bird的化学反应几率模型以及壁面CLL(Cercignani-Lampis-Lord)反射模型的基础上,用Fortran语言编制了能够模拟内能松弛、热力学非平衡和化学非平衡的稀薄气体DSMC(direct si mulation Monte-Carlo)源程序,在地球大气层和火星大气层中完成了Ballute减速装置的8个工况计算(其中Knudsen数从0.05变到30.0,飞行Mach数从26.3变到11.2),并与NASA Langley研究中心2007年发表的计算结果作了比较,本文的结果令人满意.另外,这里用|T-T_v|/T去分析热力学非平衡,用Damk hler数去分析化学反应非平衡,用Stan-ton数去分析飞行器壁面的传热效果,所有这些分析对高温部件的热防护设计十分有益.      

热与化学耦合非平衡对热流和电子密度的影响

采用单、双温度模型两种粘性激波层方程组对弹头驻点区非平衡流场作了数值模拟。计算结果表明，在算例条件下热非平衡与化学非平衡的耦合效应对壁面热流和电子密度有明显影响。文中给出了完全催化壁和非催化壁两种情况下以及采用不同振动松弛时间公式时上述影响的变化规律。     

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。     

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。     

随活塞同步振动下纳米流体的强化传热特性

内燃机工作过程中,燃烧产生的热能一部分传给燃烧室部件,传给燃烧室部件中的热能有一半以上传给活塞,由于内燃机热负荷不断提高,必须要对活塞进行有效冷却。当活塞功率密度超过0.3kW/cm2时,必须采用冷却油腔进行冷却。为揭示纳米流体在冷却油腔内的流动和传热特性,对不同种类纳米流体在定常和振动状态下直圆管中的物性、摩擦阻力和传热特性进行了实验研究。研究发现：未施加换热腔振动时,在纯净水中添加纳米颗粒后摩擦阻力系数在层流流域内略有上升,湍流范围内几乎没有变化,但是传热效果却大大增强,最优强化在层流-湍流转捩点附近出现且随着纳米体积浓度和导热系数的增大而增大。对换热腔施加随活塞同步振动后,传热强化与振动频率成正比、与雷诺数成反比;用纳米流体代替传统流体后传热效果大大增强,同时还发现纳米流体种类对强化效果影响显著。     

柱塞泵热力学建模与仿真

针对航空行业广泛应用的柱塞泵的热力学特性,提出了一种分析和建模的方法.应用能量守恒定律推导并建立了集中参数的航空柱塞泵的热力学模型,并针对柱塞泵的内部结构进行了较详细的传热分析.将此建模和分析的方法应用于包含航空柱塞泵的一个典型液压回路.通过对航空柱塞泵的热力学实验与仿真结果的比较证明了建模方法的有效性.     

Influence of the disperse phase properties on characteristics of the shock wave passing the direct shock from pure gas in the gas mixture

In this paper, a mathematical model of the nonequilibrium multiphase medium dynamics based on a two-speed two-temperature approximation of interpenetrative continuum mechanics is used to describe the nonstationary processes in a gas suspension. The influence of particle size and their volume content as well as the true density on the process of distributing a shockwave of pure gas into a gas suspension was investigated by means of numerical modeling.     

太阳能无人机能源系统的多维耦合建模

针对太阳能无人机能源系统建模的耦合性考虑不足、能量流动过程描述不全面等问题,将外部大气环境、无人机的姿态角度等不同维度下影响能源系统运行的多个因素纳入到建模过程中,先后给出了非均质大气环境模型、无人机运动模型、电机模型、减速器模型、螺旋桨模型、光伏电池模型和蓄电池模型的建立过程,并建立了各模型间的耦合关系,得到反映非均质大气环境下、动态飞行行为的太阳能无人机中能量流动的耦合模型。仿真结果表明：该模型可以完整的描述外部大气环境和无人机飞行姿态对无人机发电功率以及动力负荷功率的影响等耦合作用,适合用于仿真分析和地面半实物仿真平台的搭建。     

激波后高温高速流场中的传热特性研究

激波后高温、高速流场中的热力学与传热特性分析是直接涉及到飞行器热防护设计与传热分析的关键问题之一,借助于多组分、考虑非平衡态气体的振动以及激波与热化学非平衡态效应的守恒积分型Navier-Stokes方程组,并用高分辨率总变差减小(TVD)格式进行求解,计算与研究了Apollo工程AS-202返回舱再入地球大气层的6个飞行工况(飞行马赫数15.52～22.63)以及Huygens飞行器再入土卫六大气层的6个工况(飞行马赫数17.29～24.47),分析了不同工况下弓形脱体激波后高温高速流场的热力学与传热特性,计算得到了沿壁面的热流密度分布、温度分布以及Stanton数分布,并与国外相关飞行数据进行了比较,两者吻合较好.相关计算可以指导有关飞行器的热防护设计.      

单孔容腔瞬态充气换热的理论分析方法

换热对于容腔瞬态响应过程有显著影响，而目前缺乏分析容腔瞬态过程换热的通用方法，导致容腔瞬态响应模拟精度较差。针对这一现状，基于自由射流、冲击射流及外掠平板换热理论，提出了一种模拟非绝热单孔容腔瞬态充气过程换热的理论方法。应用该方法模拟了容腔压力和温度的瞬态响应过程，并与试验数据进行了对比。结果表明：该理论方法的模拟结果与试验数据吻合很好，压力最大相对误差不超过3%，温度最大相对误差不超过1%，验证了理论方法的可行性和准确性。而绝热模型的模拟结果与试验数据相比，压力和温度的最大相对误差分别可达12%和14%，等温模型的压力和温度的最大相对误差分别可达6%和7%，说明理论方法显著提高了容腔瞬态响应模拟精度。同时，理论分析方法不仅具有较强的通用性，还能够极大地降低分析容腔瞬态换热的成本，可以有效支撑空气系统非绝热容腔元件建模。     

超临界碳氢燃料流动换热的一维模型

考虑水平圆管内燃料流动换热过程和裂解反应及结焦过程之间的相互影响,提出一个一维稳态模型来研究碳氢燃料的流动换热过程与裂解反应的耦合特性。选用正癸烷作为替代燃料,裂解反应采用正癸烷裂解的一步总体化学反应模型,结焦过程采用一维结焦工程模型进行数值模拟,结果表明裂解反应能够强化换热。选择不同的管壁面热流密度、进口压力和质量流量等典型工况进行模拟,表明流动换热过程影响燃料裂解反应速率和在管内的驻留时间,从而影响裂解度。计算结果与实验数据的对比表明了程序的可靠性,加上一维程序计算效率高的优点,可将应用于快速工程计算,并为三维数值模拟提供支持。      

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...     

稀薄流热化学非平衡效应的DSMC研究

以钝体绕流驻点线流场为例，应用直接仿真蒙特卡罗法，模拟了五组元混合气体（Ｎ２，Ｏ２，Ｎ，Ｏ，ＮＯ）中的碰撞能松弛，离散反应，交换反应及复合反应，给出了碰撞分子各自由度间的能量交换模式及各类化学反应的选择模式。ＤＳＭＣ仿真结果与宏观粘性激波层方程计算结果，在飞行高度较低时基本相符，表明采用的热化学非平衡非模式是令人满意的，随着飞行高度增高稀薄气体效应增大，二者在激波附近有显著差异，表明高空飞行必须考     

疏水/超疏水表面防/除冰原理及其研究进展

液体防冰、电热防冰、气热防冰、机械除冰等传统的防/除冰技术具有显著的防/除冰效果,但存在消耗能源大、防冰时间有限以及除冰不彻底等问题,而基于疏水/超疏水表面的防/除冰技术则具有独特的优势.本文首先阐述了利用疏水表面和超疏水表面防/除冰的原理及其影响因素;然后,总结了常用的疏水表面和超疏水表面在防/除冰中存在的问题,并指...     

高速高温流场电子能非平衡的数值模拟

采用描述电子能非平衡的三温度模型,结合11组分空气的化学反应模型,对多种高速高温热化学非平衡流场开展数值模拟,并与描述电子能平衡的两温度模型结果进行对比,研究电子能非平衡对高超声速流场特性的影响。圆球弹道靶试验算例表明电子能非平衡不影响激波脱体距离。RAM-C II飞行器的4个飞行工况算例表明,尽管两温度和三温度模型结果存在差异,但二者电子数密度分布的趋势和量级接近,均可与飞行试验数据保持一致,其中三温度模型的预测效果更好。FIRE II飞行器极高温流场模拟结果显示,电子能非平衡几乎不影响飞行器表面的对流传热。     

脉动标量场的数值模拟

分析多元流体在湍流条件下的混合、传热或化学反应时需要考虑各组元的浓度、温度等标量参数的脉动.本文基于湍流模式理论,介绍标量参数的一种模化方法,并用该方法对流入静止环境的热射流进行了数值模拟.计算结果与实验数据进行了对比,表明该方法对算例条件下的温度场预测可以取得满意的结果.     

街道峡谷湍流流动的风洞试验与数值计算

在１：２５０的风洞模型上,测量街道峡谷的平均流速,湍流度等参数,分析了街道峡谷内的湍流流动状态,探讨了屋顶来流风在街道峡谷内产生复杂流场的主要特征,并用三维湍流流模型对风洞试验模型进行了数值计算,试验和计算结果为研究街道峡谷风环境以及街道峡谷的传热传质过程提供了基础。