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高温气体热化学反应的DSMC微观模型分析

力学学报 2018年第4期50卷 722-733页

作者：杨超孙泉华中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

热化学耦合的非平衡现象一直是高温气体热化学问题研究的难点,制约了诸如爆轰波胞格结构、低温点火速率等现象的分析.本文以高温氮气离解和氢氧燃烧中的链式置换反应为例,从微观反应概率、振动态指定的反应速率、热力学非平衡态的宏观... 详细信息

热化学耦合的非平衡现象一直是高温气体热化学问题研究的难点,制约了诸如爆轰波胞格结构、低温点火速率等现象的分析.本文以高温氮气离解和氢氧燃烧中的链式置换反应为例,从微观反应概率、振动态指定的反应速率、热力学非平衡态的宏观反应速率、碰撞后的能量再分配等角度,分析了直接蒙特卡罗模拟中的典型化学反应模型(TCE,VFD,QK模型)的微观动力学性质.研究发现,无论是高活化能的高温离解反应还是低活化能的链式置换反应,实际参与反应的分子的振动能概率分布都偏离了平衡态的Boltzmann分布,包含较强振动能额外影响的VFD模型可以很好地模拟高温离解反应,而TCE(VFD的一个特例)和QK模型对活化能较低的链式置换反应的预测效果相对更好.此外,化学反应碰撞后的能量再分配应遵循微观细致平衡原理,细微的偏差都可能造成平动能和振动能难以达到最终的平衡状态.直接蒙特卡罗模拟的应用评估结果表明,化学反应的振动倾向对热化学耦合过程产生了明显的影响,特别是由于高振动能分子更多地参与了化学反应,气体平均振动能的下降将影响后续化学反应的进行.

关键词：热化学非平衡直接蒙特卡罗方法反应模型微观分析

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远程超低飞行轨道分析

力学学报 2009年第4期41卷 449-454页

作者：樊菁蒋建政孙泉华黎作武吴晨曦中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室北京100190 中国空气动力研究与发展中心国家CFD实验室北京100083

研究了一种新的远程导弹飞行轨道的可行性,它的最大飞行高度约100km.这种超低弹道,借鉴卫星模式,利用离心力抵抗重力。与卫星轨道运行不同的是,超低弹道周围的稀薄空气影响至关重要,必须考虑。计算和分析结果表明,在相同载荷条件和射程... 详细信息

研究了一种新的远程导弹飞行轨道的可行性,它的最大飞行高度约100km.这种超低弹道,借鉴卫星模式,利用离心力抵抗重力。与卫星轨道运行不同的是,超低弹道周围的稀薄空气影响至关重要,必须考虑。计算和分析结果表明,在相同载荷条件和射程条件下,超低弹道和经典的最小能量弹道对于火箭动力的需求大致相当,射程10000km以上基本相同。头部半径为5cm的轴对称外形,沿超低弹道飞行时,其驻点热流在高度26 km左右达到最大值50 MW/m^2,约为最小能量弹道驻点热流最大值的50%。由于超低弹道对升力没有要求,飞行过程中的气动加热问题,沿用成熟方法如烧蚀防热即可解决。总体而言,超低弹道对于火箭动力与外形气动力/热要求,现有技术容易满足,因此利用它增强远程导弹的突防能力是现实可能的。

关键词：远程导弹超低飞行轨道稀薄气体效应动力需求驻点热流

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吸气式电推进中的气体捕集系统的设计分析

宇航学报 2022年第2期43卷 232-240页

作者：杨超胡远孙泉华黄河激中国科学院力学研究所空天飞行科技中心北京100190 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

针对吸气式电推进系统中的气体捕集系统,提出了一种能够准确计算气体捕集率的理论模型,并以此为基础开展了气体捕集系统的优化设计。首先,通过分析几类代表性气体捕集系统的捕集特点,提取了影响气体捕集率的关键参数。然后,通过分析进... 详细信息

针对吸气式电推进系统中的气体捕集系统,提出了一种能够准确计算气体捕集率的理论模型,并以此为基础开展了气体捕集系统的优化设计。首先,通过分析几类代表性气体捕集系统的捕集特点,提取了影响气体捕集率的关键参数。然后,通过分析进气道内气体分子的微观行为,推导得到了气体捕集率的理论公式,获得了无量纲管长、末端净透射率等关键参数对气体捕集率的影响规律。最后,利用理论模型,对实际飞行条件下的气体捕集系统开展了优化设计。结果表明,当末端净透射率给定时气体捕集率随无量纲管长先增后减,且最大捕集率与末端净透射率正相关。通过使用涡轮分子泵提升末端净透射率并对无量纲管长进行优化,实际飞行条件下的气体捕集率可以达到50%以上。

关键词：吸气式电推进气体捕集自由分子流涡轮分子泵

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高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

力学学报 2019年第6期51卷 1761-1774页

作者：洪启臻王小永孙泉华中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

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Eule... 详细信息

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.

关键词：高温非平衡振动松弛态-态计算驻点线模型

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活塞式无膜激波管特性的实验研究

实验力学 1997年第4期12卷 539-543页

作者：孙泉华韩肇元尹协振杨基明中国科学技术大学

本文在自行研制的无膜激波管中，实验研究了不同快速卸压装置对该激波管运行特性的影响。通过控制高压段充气压力和测量压力波形，得到了高低压段压比和激波马赫数的关系曲线以及在测压点处形成激波所需的最低压比。实验结果表明排气快... 详细信息

本文在自行研制的无膜激波管中，实验研究了不同快速卸压装置对该激波管运行特性的影响。通过控制高压段充气压力和测量压力波形，得到了高低压段压比和激波马赫数的关系曲线以及在测压点处形成激波所需的最低压比。实验结果表明排气快慢对激波形成距离和所形成激波的强度产生很大的影响。对不同装置产生的结果差异进行了一定的分析。

关键词：无膜激波管激波管激波特性活塞激波形成

高超声速热化学非平衡流动双温度模型的精度研究

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Acta Mechanica Sinica 2023年第2期39卷 126-137页

作者：王小永洪启臻胡远孙泉华 State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics Institute of MechanicsChinese Academy of SciencesBeijing 100190China School of Engineering Science University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China

由于一些经验性的假设,高超声速热化学非平衡流动模拟中广泛使用的双温度模型包含很大的不确定性.为了克服传统双温度模型的缺陷,本文基于修正Marrone-Treanor model的方法建立了修正的Macheret-Fridman model.一些典型的算例被用来验... 详细信息

由于一些经验性的假设,高超声速热化学非平衡流动模拟中广泛使用的双温度模型包含很大的不确定性.为了克服传统双温度模型的缺陷,本文基于修正Marrone-Treanor model的方法建立了修正的Macheret-Fridman model.一些典型的算例被用来验证上述修正模型和广泛采用的双温度模型的精度.此外,本文重点分析和讨论了修正模型预测精度提高的原因.研究结果表明,基于Marrone-Treanor model的修正方法可以推广至传统的双温度模型中,并显著提高其预测精度.此外,精确模拟高超声速热化学非平衡流动需要考虑三个方面的因素:离解速率、振动-离解耦合作用以及非Boltzmann效应.非Boltzmann效应降低了离解速率和振动导致的离解能变化.对比而言,离解速率的影响大于非Boltzmann效应导致的离解能的变化.为了提高传统双温度模型的预测精度,未来工作可以主要集中在提高离解速率的精度上面.

关键词： Nonequilibrium flow Two-temperature model Quasi-classical trajectory Non-Boltzmann effect Vibration-dissociation couplingeffect

中等Reynolds数平板绕流的动理论分析

维普期刊数据库评论

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力学进展 2009年第4期39卷 421-425页

作者：樊菁吴晨曦孙泉华蒋建政中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室北京100190

郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边界层理论中的经典工作,许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了评估,评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据,本文的动... 详细信息

郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边界层理论中的经典工作,许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了评估,评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据,本文的动理论分析和计算表明:Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(0.16

关键词：平板绕流郭永怀解稀薄气体效应动理论分析 IP方法

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典型气动布局高超声速飞行的气动力数值评估

空气动力学学报 2012年第3期30卷 365-372页

作者：朱辉玉王刚孙泉华樊菁中国科学院力学研究所、高温气体动力学国家重点实验室(筹) 北京100190

采用自主开发的数值软件SPACER对典型气动布局在Ma=6.0(Re=1×107)高超声速巡航时的气动力性能进行了数值评估。评估的气动布局包括类乘波体(仿X-51A)、翼身融合体(仿ISR)、传统升力体(仿X-33)和轴对称锥形体(仿Fasthawk导弹)。由于升... 详细信息

采用自主开发的数值软件SPACER对典型气动布局在Ma=6.0(Re=1×107)高超声速巡航时的气动力性能进行了数值评估。评估的气动布局包括类乘波体(仿X-51A)、翼身融合体(仿ISR)、传统升力体(仿X-33)和轴对称锥形体(仿Fasthawk导弹)。由于升力体范围较广,还对一种相对扁平的升力体模型进行了数值评估。评估结果表明:在考察条件下,类乘波体具有较大的升阻比和较小的阻力,是很有潜力的高超声速巡航气动布局;翼身融合体和传统升力体需一定的改进和进一步的研究,如扁平升力体的气动性能可得到大幅提升;轴对称锥形体以其总阻力小,也具有一定优势。

关键词： SPACER 高超声速气动布局数值评估

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激波对血液成分影响的实验研究

流体力学实验与测量 1997年第3期11卷 18-22页

作者：孙泉华尹协振韩肇元李加寿中国科学技术大学力学和机械工程系合肥230026 中国人民解放军105医院合肥230031

用自行研制的无膜激波管，研究在一定强度激波的作用下，激波对血液成分的影响。分析了激波与血液作用时的波系结构，得到了作用在血液上的透射激波速度和透射波波后压力的表达式。共对24组新鲜血液进行了对照实验，实验后的医学化验表... 详细信息

用自行研制的无膜激波管，研究在一定强度激波的作用下，激波对血液成分的影响。分析了激波与血液作用时的波系结构，得到了作用在血液上的透射激波速度和透射波波后压力的表达式。共对24组新鲜血液进行了对照实验，实验后的医学化验表明：激波对血液有相当强的作用，其中尤为明显的是作用后的血液中游离血红蛋白明显增多、血小板数减少。结果还表明这些变化跟激波作用的次数有一定的关系。文中对造成血液破坏的机制也作了初步的分析。

关键词：激波血液激波管活体实验血红蛋白血小板数