高超高焓非平衡流动数值模拟方法研究综述

高性能计算流体力学 (computational fluid dynamic, CFD) 模拟可以与高超飞行试验、高焓地面设备实验研究相互印证, 在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用. 本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方面的进展, 概述了相关热化学模型、数值格式研究以及CFD软件研制方面的现状和发展趋势, 最后指出了今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题.
(1) 在热化学模型方面, 常用温度模型并不完全精确, 多振动温度模型具有发展潜力但工程应用受限, 态−态模型更精确但模拟技术尚不成熟, 更为精确的热力学输运模型、有限速率化学反应模型、振动−离解耦合模型以及表面效应模型等是提升热化学非平衡模拟精度的重要物理模型, 值得深入研究; (2) 在数值方法方面, 多物理场耦合模拟是高超热化学非平衡流动CFD研究的热点和趋势, 对CFD方法的鲁棒性和收敛性提出了更高的要求, 值得重点关注和研究, 此外常用数值格式需要针对热化学非平衡流动特征进行适应性改造, RANS方法在热化学非平衡湍流模拟中的计算可靠性仍有待验证; (3) 在数值软件方面, 基于结构/非结构混合网格的数值求解器更加符合工业应用需求, 未来高超数值软件需要具备稳定、鲁棒的多学科、多物理场耦合求解功能, 且能够适应更大网格规模大尺度复杂外形的模拟需求; (4) 可综合应用多种加速技术手段提升热化学非平衡流动数值模拟的计算效率, 计算刚性是热化学非平衡流动数值模拟方法研究的共性基础问题, 刚性消除方法仍需进一步研究和发展.