热化学非平衡流动磁流体力学控制数值模拟研究

作     者：徐帅 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周超英

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 080103[工学-流体力学] 0703[理学-化学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：OpenFOAM 高超声速 磁流体力学 多物理场耦合模拟 

摘      要：目前,世界各大国都十分重视高超声速飞行技术的研究,飞行器在临近空间再入过程中遇到的气动热问题一直是研究关注的重点。近二十年来这样一种磁控装置一直受到关注:在飞行器内部放置电磁线圈产生磁场控制电离空气,通过洛伦兹力作用在感应电流,增加弓形激波的脱体距离,达到降热的目的;同时,受到作用的空气会给电磁线圈一个反作用阻力,降低飞行器的速度,间接缓解气动热。因此,准确模拟磁控流场和磁控系统的各项性能指标有相当大的研究价值。本文在现有磁流体数值模拟方法和磁控热防护、增阻研究的基础上,研究飞行器外流场中的感应磁场的数值求解方法,探究感应磁场对降热增阻的影响。首先,针对Navier-Stokes方程和Maxwell方程的不同简化假设,推导出两类磁流体控制方程,引入了AUSM+格式来离散对流和压力项,使用有限体积法完成对磁流体方程组的离散,基于OpenFOAM开源架构编写了理想磁流体数值计算程序,并在一维和二维经典算例上进行了验证。然后,针对高温空气的热化学非平衡效应,建立多组分双温度模型的非平衡气体控制方程,给出了相关输运系数和化学反应参数的计算方法,并对RAM-C II球头锥形再入体在两种工作条件下的外流场进行数值模拟研究,探究包括7组分和11组分化学反应模型模拟结果的异同,发现采用11组分化学反应模型计算的结果有更高的电离度。于是,通过各化学组分分布和温度计算空气电导率,针对高超声速飞行器磁控系统,基于低磁雷诺数假设模拟计算了球头圆柱体的降热、增阻性能。总结了适用于空气动力学的分离式方程组、基于磁感应方程的源项方法和基于磁矢量势修正磁场方法,从理论和计算结果上比较了这三种方法之间的优劣,发现基于磁矢量势修正磁场方法计算得结果更可信,对于模拟磁控流场问题具备较高的准确度和适用性。最后,分析高温空气电导率计算的不确定性,探究不同磁雷诺数下感应磁场对磁控系统性能的影响,发现感应磁场的存在不会对磁控性能产生根本性的影响,会在低磁雷诺数假设的基础上,降低激波脱体距离,强化磁控系统的降热效果和磁增阻特性,在相对较高的磁雷诺数条件下,影响效果更加显著。