高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim 高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim $0.5 倍分子离解能是比较合理的.     

高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高温条件下的热化学非平衡状态.本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动.态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合Euler方程或驻点线上的降维Navier-Stokes方程,数值求解得到了高温流动中的精细热化学非平衡状态.而双温度模型假设氧气的振动能级服从B oltzmann分布,通过求解振动能方程得到振动温度.一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散.态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程.无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级分子要经过很长距离后才能达到热平衡.在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布.计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应速率的影响,但是Park双温度模型将离解失去的振动能取为0.3～0.5倍分子离解能是比较合理的.     

一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析

临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大, 在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象, 流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关. 通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼?恩斯科近似解, 构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程, 并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性, 证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性, 给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系, 基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式. 在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动, 并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析, 结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置, 尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好, 验证了新模型的有效性和可靠性, 同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响.      

极高超声速稀薄气体原子辐射效应的p-DSMC方法

极高超声速流动激波层内的高温导致内能模态的激发并伴随热辐射发生, 过高的温度使得空气分子完全解离, 原子组分对辐射热的贡献将达到80%以上. 本文基于优化的原子辐射模型, 提出追踪光子?直接模拟蒙特卡罗(p-DSMC)方法, 研究了稀薄流区不同马赫数下的高超声速二维圆柱绕流的壁面辐射加热, 获得了有无激发辐射效应的壁面压力和热流以及沿驻点线变化的平动、振动和转动温度. 在不考虑激发辐射效应的情况下, 得到的壁面压力和热流与已有的模拟结果符合的非常好, 误差均在5%以内, 尤其是在驻点位置, 误差在1%以内; 获得的平动、振动以及转动温度均与文献结果符合的很好. 在相同的来流条件下, 考虑辐射效应后发现, 来流速度低于10 km/s时, 辐射加热不明显, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重在7%左右; 来流速度大于10 km/s时, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重将超过30%. 考虑辐射效应后, 对非平衡区的平动、转动和振动温度的最大值影响不大. 此外, 另一个重要结论是, 流场中原子的浓度是影响壁面辐射热流大小的一个重要因素.      

非结构网格热化学非平衡辐射流场数值计算

针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法. 根据原子分子光谱理论逐条计算了100$\sim$1\,500\,nm间N, O, N$^{ + }$, O$^{ + }$的谱线以及N计算流体力学; 辐射; 热化学非平衡; 非结构网格; 有限体积法针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法.根据原子分子光谱理论逐条计算了100～1 500nm间N,O,N+,O+的谱线以及N2,O2,NO,N+2等分子的10个谱带,特别分析了NO的β'带,γ'带,δ带和ε带的辐射特性.采用耦合辐射的双温模型计算热化学非平衡流场,辐射源项通过直接求解辐射输运方程RTE(radiative transport equation)获得.在空间和方向上分别离散后,利用有限体积法求解不同方向上的辐射输运方程.计算得出了再入飞行器前驻点的辐射强度分布.采用该数值方法计算了MUSES-C模型在速度为11.6km/s时的绕流流场及前驻点处的辐射热流密度.并通过对比分析了热辐射对流场的影响.     

转动非平衡玻尔兹曼模型方程统一算法与全流域绕流计算应用

基于过去开展稀薄自由分子流到连续流气体运动论统一算法框架,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,确立含转动非平衡效应各流域统一玻尔兹曼模型方程.基于转动能量对分布函数守恒积分,得到计及转动非平衡效应气体分子速度分布函数方程组,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖速度空间离散降维;应用拓展计算流体力学有限差分方法,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式;基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡气体动理论边界条件数学模型及数值处理方法,提出模拟各流域转动非平衡效应玻尔兹曼模型方程统一算法.通过高、低不同马赫数1:5～25氮气激波结构与自由分子流到连续流全飞行流域不同克努森数（9×10-4～10）Ramp制动器、圆球、尖双锥飞行器、飞船返回舱外形体再入跨流域绕流模拟研究,将计算结果与有关实验数据、稀薄流DSMC模拟值等结果对比分析,验证统一算法模拟自由分子流到连续流再入过程高超声速绕流问题的可靠性与精度.      

高马赫数超燃冲压发动机技术研究进展

吸气式高超声速飞行在空间运输和国家空天安全领域具有极高价值,超燃冲压发动机是其核心动力装置.目前飞行马赫数4.0～7.0超燃冲压发动机技术日趋成熟,发展更高速的飞行动力技术成为今后临近空间竞争焦点之一.本文对飞行马赫数8.0～10.0的高马赫数超燃冲压发动机技术进行了分析和综述.首先论述其亟待解决的关键问题和技术,分别包括高焓离解与热化学非平衡效应、超高速气流燃料增混与燃烧强化技术、高超声速燃烧与进气压缩的匹配及工作模态、高焓低雷诺数边界层流动及其控制方法、高焓低密度流动/燃烧的热防护技术,以及高马赫数发动机的地面试验风洞技术.然后,进一步介绍了国内外高焓激波风洞与驱动技术以及国内外典型的地面和飞行试验进展.进而针对推进和热防护的总体性能评估、高马赫数发动机内凸显的高焓离解与热化学非平衡效应、超高速气流燃料增混和燃烧强化技术综述了相关研究进展及结论,讨论了高马赫数超燃冲压发动机的可行性以及各关键技术的特点.最后进行了总结并对后续研究提出了几点建议.     

GAS-KINETIC UNIFIED ALGORITHM FOR BOLTZMANN MODEL EQUATION IN ROTATIONAL NONEQUILIBRIUM AND ITS APPLICATION TO THE WHOLE RANGE FLOW REGIMES

基于过去开展稀薄自由分子流到连续流气体运动论统一算法框架,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,确立含转动非平衡效应各流域统一玻尔兹曼模型方程.基于转动能量对分布函数守恒积分,得到计及转动非平衡效应气体分子速度分布函数方程组,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖速度空间离散降维;应用拓展计算流体力学有限差分方法,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式;基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡气体动理论边界条件数学模型及数值处理方法,提出模拟各流域转动非平衡效应玻尔兹曼模型方程统一算法.通过高、低不同马赫数1：5～25氮气激波结构与自由分子流到连续流全飞行流域不同克努森数（9×10^-4～10）Ramp制动器、圆球、尖双锥飞行器、飞船返回舱外形体再入跨流域绕流模拟研究,将计算结果与有关实验数据、稀薄流DSMC模拟值等结果对比分析,验证统一算法模拟自由分子流到连续流再入过程高超声速绕流问题的可靠性与精度.     

HLLE++格式在高马赫数空腔流动模拟中的应用

空腔流动存在剪切层运动、涡脱落与破裂,以及激波与激波、激波与剪切层、激波与膨胀波和激波/涡/剪切层相互干扰等现象,流动非常复杂,特别是高马赫数(M>2)时,剪切层和激波更强,激波与激波干扰更严重,对数值格式的要求更高,既需要格式耗散小,对分离涡等有很高的模拟精度,又需要格式在激波附近具有较大的耗散,可以很好地捕捉激波,防止非物理解的出现。Roe和HLLC等近似Riemann解格式在高马赫数强激波处可能会出现红玉现象,而HLLE++格式大大改善了这种缺陷,在捕捉高超声速激波时避免了红玉现象的发生,同时还保持在光滑区域的低数值耗散特性。本文在结构网格下HLLE++格式的基础上,通过改进激波探测的求解,建立了基于非结构混合网格的HLLE++计算方法,通过无粘斜坡算例,验证了HLLE++格式模拟高马赫数流动的能力,并应用于高马赫数空腔流动的数值模拟,开展了网格和湍流模型影响研究,验证了方法模拟高马赫数空腔流动的可靠性和有效性。     

飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析

为提升针对高马赫数发动机的模拟能力,对计算方法进行了可压缩性修正,并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟,分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征.研究结果表明:(1)修正后的方法计算所得激波位置及强度与试验值吻合,在激波串模拟、高马赫数发动机模拟上均展现了更优的能力.(2)发动机内形成激波与反...     

高速双锥绕流中热化学与输运模型影响研究

激波与边界层之间相互作用是高超声速飞行中的常见现象,对飞行器气动性能与飞行安全至关重要.对于高焓来流,流场中通常存在复杂的物理化学现象,此时准确模拟流场中激波边界层相互作用的难度大,相关物理化学建模仍有待进一步考察和研究.本文针对最近文献中纯净空气高超声速双锥绕流实验开展数值研究,分别研究了不同热化学模型与输运模型对壁面压力与热流的影响.热力学模型包括完全气体、热力学平衡和非平衡模型,化学模型包括冻结和非平衡化学模型,输运模型包括经典的Wilke/Blottner/Eucken模型与更加复杂的Gupta/SCEBD模型,以及考虑壁面催化/非催化影响的模型.计算了6个不同算例,涵盖了低焓至高焓来流等不同工况.壁面压力与热流的数值计算结果与实验结果符合较好;对于低焓来流,计算结果主要受到分子内能分布的影响,输运模型对计算结果的影响不大;对于高焓来流,一方面计算结果受到化学反应与壁面催化的影响较大,另一方面不同输运模型对计算结果的影响也更加明显.      

激波管中强激波的前驱真空紫外辐射

在Φ800毫米的低密度激波管的中轴上用钼靶探测入射强激波前发射的真空紫外光子,研究了以下三个问题。(1)研究了真空紫外光子的通量密度随波前距离的关系,建立了一个考虑到有限的激波发射层尺度和波前气体吸收的模型,得到了与实测前驱辐射一致的结果。(2)研究了氩气中强激波真空紫外辐射的激发机制,指出它属于非平衡共振激发辐射,其激发截面系数S~*=1.2×10~(-17)厘米~2·电子伏~(-1),激活能为11.4电子伏。(3)研究了空气中氮分子b′~1∑→X~(1∑)辐射的激发机制,指出只是在激波面很薄的一层中能够激发这一辐射,辐射是非平衡的,其激发截面Q~*=2×10~(16)厘米~2,其激活能为12.1电子伏。     

高速双锥绕流中热化学与输运模型影响研究

激波与边界层之间相互作用是高超声速飞行中的常见现象,对飞行器气动性能与飞行安全至关重要.对于高焓来流,流场中通常存在复杂的物理化学现象,此时准确模拟流场中激波边界层相互作用的难度大,相关物理化学建模仍有待进一步考察和研究.本文针对最近文献中纯净空气高超声速双锥绕流实验开展数值研究,分别研究了不同热化学模型与输运模型对壁面压力与热流的影响.热力学模型包括完全气体、热力学平衡和非平衡模型,化学模型包括冻结和非平衡化学模型,输运模型包括经典的Wilke/Blottner/Eucken模型与更加复杂的Gupta/SCEBD模型,以及考虑壁面催化/非催化影响的模型.计算了6个不同算例,涵盖了低焓至高焓来流等不同工况.壁面压力与热流的数值计算结果与实验结果符合较好;对于低焓来流,计算结果主要受到分子内能分布的影响,输运模型对计算结果的影响不大;对于高焓来流,一方面计算结果受到化学反应与壁面催化的影响较大,另一方面不同输运模型对计算结果的影响也更加明显.     

高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析

高超飞行器在中低空以极高马赫数飞行时,飞行器表面会遇到湍流与高温非平衡效应耦合作用的新问题.这种高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制是新型高超声速飞行器所关注的基础科学问题,厘清此产生机制可以为减阻方法的设计提供指导,具有重要的工程实用价值.本文选取高超声速飞行时楔形体头部斜激波后的高焓流动状态,开展了考虑高温非平衡效应的湍流边界层直接数值模拟研究,并设置同等边界层参数下的低焓完全气体湍流边界层流动作为对比,采用RD (Renard&Deck)分解技术研究了高焓湍流边界层摩阻的主要产生机制,对摩阻产生的主要贡献项积分函数分布进行了详细分析,研究了高温非平衡效应对摩阻产生的影响规律;采用象限分析技术,研究了摩阻分解湍动能生成项的主导流动事件.计算结果表明,高温非平衡效应会使得壁面摩阻脉动条带的流向和展向尺寸均减小.分子黏性耗散项和湍动能生成项是高焓湍流边界层摩阻生成的主要流动过程.分子黏性耗散项主要作用在近壁区,高焓流动的分布与低焓流动存在差异.象限分析表明,上抛和下扫运动是影响摩阻分解中湍动能生成项的主导事件.     

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.     

振动激发对高超声速气动力/热影响

随着飞行马赫数的不断提高,空气的高温气体效应越来越明显,对高超声速飞行器的气动力/热特性产生重要影响.高温气体效应对气动力/热的影响机理复杂,影响参数众多,迄今为止国内外尚未完全研究清楚.发生高温气体效应时,多个非线性物理过程耦合在一起,地面试验和数值模拟无法将这些过程解耦,无法给出关键物理机理.为了解决这一问题,文章提出一种理论分析与数值模拟相结合的两步渐进新方法:先通过牛顿迭代法得到发生振动激发过程的斜激波无黏解;再将该无黏解的结果作为边界条件,求解边界层的黏性解.利用该方法研究了振动激发过程对二维斜劈的气动力/热特性的影响规律.研究结果表明,振动激发过程对斜激波后的温度、密度、马赫数、雷诺数和斜激波角影响较大,而对压力和速度影响较小.斜激波波后的无黏流动与边界层流动是耦合在一起的.发生振动激发后,斜激波波后雷诺数的增大会导致边界层厚度减小,结合多个物理量的变化,如速度增大和温度减小,共同对边界层内的摩擦阻力和气动热产生影响.对比完全气体的结果发现,振动激发使壁面摩阻升高,而使壁面热流降低.分别通过影响激波层和边界层,振动激发对摩阻的影响是弱耦合的,而对热流的影响则是强耦合的.     

非定常激波三维双楔面反射的数值研究

采用基于MUSCL-Hancock插值的有限体积方法, 在非结构自适应网格上求解三维Euler方程, 研究了非定常激波在三维垂直双楔面上的反射现象. 研究结果表明, 由于三维效应的影响, 通过二维非定常激波反射理论预测的三维马赫反射区域范围存在着一定的局限, 在该区域范围内出现了一种非典型的三维突起结构, 即第二类三维马赫干. 另外, 对于不同的激波马赫数和楔面倾角组合, 非定常激波在三维双楔面上会形成具有四波结构的三维马赫反射或具有三波结构的三维规则反射.      

翼型跨声速气动特性的不确定性及全局灵敏度分析

针对马赫数和仰角的随机不确定性会导致气动性能波动的现象, 采用非嵌入式的混沌多项式方法对绕NACA0012 翼型跨声速随机气动特性进行不确定性及全局灵敏度分析. 具体分析了飞行状态的不确定性对气动载荷分布、流场及气动力系数的影响并通过全局灵敏度分析找出重要因素. 不确定性分析结果表明翼型上表面的激波以及激波后分离泡是造成气动性能剧烈波动的主要原因. 灵敏度分析结果表明在跨声速区域马赫数对激波处气动性能影响最大, 此外, 虽然马赫数和仰角相互耦合作用对气动力系数贡献比较小, 但对于激波位置处的流场, 这种互耦合作用不可忽略.      

跨音速湿空气非平衡凝结流动的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热对跨音速气流进行加热,会显著改变气流的流动特性。通过对商用计算流体动力学软件FLUENT进行二次开发,建立了湿空气非平衡凝结流动的数值求解方法。该方法可用于二维或三维、粘性或无粘、内流或外流的求解中。采用该方法分剐对缩放喷管、透平叶栅以及绕CA-0.1圆弧翼型的湿空气非平衡凝结流动进行了数值分析。计算结果表明：湿空气凝结手l起缩放喷管中的凝结激波、导致叶橱流动中总压降低;对于翼型周围的流动,在相对湿度分别为50％、57．1％、64.1％时,依次计算得到了单激波、五激波、双激波。     

激波管研究高温气体的非平衡辐射特性

一、引言 在现代工程技术、激波结构的计算、实验室的激波物理现象研究和非平衡辐射诊断中,高温气体非平衡辐射性质的研究,在理论和实际中都有重要意义。早在五十年代,有的学者就观察过高温气体的非平衡辐射;六十年代初,国外许多学者对此感兴趣,但其定量测量还是在Lin设计出直径为24英寸的低密度激波管后做出的。关于非平衡辐