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等离子发生器化学反应流场数值模拟

等离子发生器化学反应流场数值模拟

作者：李智明哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

发动机等离子点火技术是一门新兴技术，目前只有乌克兰将该技术应用到了舰船燃气轮机和地面燃气轮机上，使发动机的点火可靠性和点火的浓度极限得到了极大的提高。发动机的等离子点火系统中有一个重要部件就是等离子发生器。空气流经等... 详细信息

发动机等离子点火技术是一门新兴技术，目前只有乌克兰将该技术应用到了舰船燃气轮机和地面燃气轮机上，使发动机的点火可靠性和点火的浓度极限得到了极大的提高。发动机的等离子点火系统中有一个重要部件就是等离子发生器。空气流经等离子发生器时会发生传热、传质以及等离子化学反应等一系列复杂的物理化学过程。在等离子点火技术的研究过程中，等离子发生器以其过程机制复杂、尺寸空间小实验测量困难的特点成为等离子点火技术研究的重点。随着计算流体力学的发展及计算机的广泛应用，数值模拟成为研究这些过程机制复杂、实验观测困难问题的重要手段。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的量(例如，等离子发生器电极壁面温度)进行估计，不需要大量的实验而主要依靠计算也可以使研究周期更短，研究手段更灵活。因此数值模拟方法是研究等离子发生器内部过程机制的一条捷径。本文针对等离子发生器内部化学反应流场的热负荷问题进行了研究，应用数值计算的方法模拟了发生器内流体热能、化学能以及动能之间的能量转换机制。建立了一个以局部热力学平衡、宏观电中性为基本假设的局部热力学平衡流体力学模型描述等离子发生器内部的流动、传热、传质过程;应用有限反应速率的方法建立了空气离解、电离的化学反应模型描述发生器内部的化学非平衡流动;采用贴体坐标系对等离子发生器的流场空间进行空间离散;采用SIMPLEC算法来求解离散方程，获得流场的数值解。应用上述的数学模型和算法，本文对等离子发生器的纯空气流场和等离子体流场进行了数值模拟。分析了空气进口气流角、进口总压和等离子化学反应对电极壁面温度及喷嘴出口气流温度的影响。有关分析结果可以近似地揭示等离子发生器内部的流场结构和各种形式能量之间的转换关系。这些结果对于认识实际的物理过程机制、指导等离子发生器结构设计具有重要意义。

关键词：等离子发生器数值模拟化学非平衡化学反应流热负荷

高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法

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空气动力学学报 2019年第6期37卷 956-965页

作者：李佳伟王江峰程克明伍贻兆南京航空航天大学航空学院

发展了一种无黏流场解与工程计算方法相结合的高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法。该计算方法结合了三维块结构网格无黏流场数值计算技术可处理复杂外形流动的优点与工程计算方法效率高的特点,将气动热的计算简化为绕飞... 详细信息

发展了一种无黏流场解与工程计算方法相结合的高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法。该计算方法结合了三维块结构网格无黏流场数值计算技术可处理复杂外形流动的优点与工程计算方法效率高的特点,将气动热的计算简化为绕飞行器的无黏外流(边界层以外)数值解和边界层内热流求解两个部分,同时耦合了防热结构传热计算模型、高温化学非平衡热效应估算方法以及弹道状态动态插值方法,可用于快速计算与分析三维复杂外形高超声速飞行器在弹道飞行状态下全机热环境参数、防热结构内温度场等随飞行时间的变化特性。以RAM-CII、类X-37B等典型高超声速飞行器为研究对象,在设定的飞行条件及热防护方案下,进行了气动加热与结构传热问题的求解,给出了全机表面热流密度与防热结构材料温度的时变特性。结果对比表明,所发展的方法具有快速、高效的特点,且计算精度可满足工程设计初期选型需求,可为高超声速飞行器的热防护系统初期设计及热环境特性快速计算分析提供技术支持。

关键词：气动加热结构传热化学非平衡弹道状态高超声速流动快速计算方法

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火星大气稀薄流化学反应影响特性研究

火星大气稀薄流化学反应影响特性研究

探索创新交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科...

作者：何涛北京空天技术研究所

火星大气与地球大气差异较大,稀薄程度高,本文针对高超声速飞行器在火星大气环境再入过程中流场所出现的强热化学非平衡现象,采用非结构网格直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）,建立火星大气8组元、44基元化学反应模型,以火星探路者号（Mars ... 详细信息

火星大气与地球大气差异较大,稀薄程度高,本文针对高超声速飞行器在火星大气环境再入过程中流场所出现的强热化学非平衡现象,采用非结构网格直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）,建立火星大气8组元、44基元化学反应模型,以火星探路者号（Mars Pathfinder）为几何模型,开展数值模拟研究,与文献对比,验证了本文火星大气化学反应DSMC方法求解器的正确性;与相同再入条件地球大气化学反应算例对比,深入分析流场热化学非平衡效应的差异,研究结果对火星探测具有指导意义。

关键词：火星大气化学非平衡 DSMC方法数值模拟

来源： cnki会议评论

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飞行器进入火星大气的流场预测

空间科学学报 2013年第2期33卷 129-134页

作者：吕俊明程晓丽王强中国航天空气动力技术研究院北京100074

针对火星着陆探测器进入-下降-着陆过程的高超声速进入阶段,利用三维并行程序求解流体动力学NavierStokes方程与化学反应动力学模型,分析火星科学实验室进入火星大气时探测器周围的流场结构、化学非平衡效应影响和气动特性变化规律.结... 详细信息

针对火星着陆探测器进入-下降-着陆过程的高超声速进入阶段,利用三维并行程序求解流体动力学NavierStokes方程与化学反应动力学模型,分析火星科学实验室进入火星大气时探测器周围的流场结构、化学非平衡效应影响和气动特性变化规律.结果表明,对于完全气体模型,来流的热力学性质参数选取影响激波位置和强度.在化学非平衡效应影响下,探测器头部激波脱体距离大幅减小,驻点压力变化不大,波后温度显著降低.CO_2在激波后大量分解,消耗相当能量.流线结构显示,探测器尾迹流动中存在复杂的旋涡运动等流动分离现象.

关键词：火星大气高超声速进入火星科学实验室化学非平衡分离流动

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泰氟隆烧蚀产物对电子密度的影响

国防科技大学学报 2004年第6期26卷 30-33页

作者：石于中王毛彦尹乐陈伟芳国防科技大学航天与材料工程学院湖南长沙410073

采用WNND格式,对有泰氟隆烧蚀产物引射的化学非平衡NS方程进行了数值模拟。采用7组元纯空气化学反应和19组元、28种反应的空气—泰氟隆化学反应系统,对照计算了壁面有泰氟隆烧蚀产物引射和纯空气绕流两种流场,研究了泰氟隆烧蚀产物对电... 详细信息

采用WNND格式,对有泰氟隆烧蚀产物引射的化学非平衡NS方程进行了数值模拟。采用7组元纯空气化学反应和19组元、28种反应的空气—泰氟隆化学反应系统,对照计算了壁面有泰氟隆烧蚀产物引射和纯空气绕流两种流场,研究了泰氟隆烧蚀产物对电子密度的影响。

关键词：烧蚀化学非平衡数值计算

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火星科学实验室气动特性数值分析

力学与实践 2013年第1期35卷 31-35,54页

作者：吕俊明程晓丽王强中国航天空气动力技术研究院北京100074

针对火星着陆探测器进入-下降-着陆过程的高超声速进入阶段,求解三维流体动力学Navier-Stokes方程与化学反应动力学模型,分析火星科学实验室进入火星大气时的化学非平衡效应、探测器周围的流场结构和气动特性在化学非平衡效应影响下的变... 详细信息

针对火星着陆探测器进入-下降-着陆过程的高超声速进入阶段,求解三维流体动力学Navier-Stokes方程与化学反应动力学模型,分析火星科学实验室进入火星大气时的化学非平衡效应、探测器周围的流场结构和气动特性在化学非平衡效应影响下的变化.结果表明,CO2在激波后大量分解,消耗大量能量;在化学非平衡效应影响下,探测器头部激波脱体距离大幅减小,尾迹旋涡运动减弱;化学非平衡效应影响下探测器升力系数变化不大,阻力系数高于完全气体,升阻比略低,配平攻角小于完全气体.

关键词：火星大气高超声速进入火星科学实验室化学非平衡气动特性

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等离子发生器中流场的组织与电极冷却

哈尔滨工程大学学报 2002年第4期23卷 33-38页

作者：郑洪涛孙海鸥谭智勇李智明周春良哈尔滨工程大学动力与核能学院黑龙江哈尔滨150001

空气等离子点火技术可以加速燃料燃烧的物理化学过程 ,扩大点火的浓度极限 ,提高点火的可靠性及燃烧的稳定性 .本文用等效的内部加热区代替产生欧姆热的电弧 ,对等离子发生器内的热力学平衡和化学非平衡的空气热流体流场进行了数值模拟 ... 详细信息

空气等离子点火技术可以加速燃料燃烧的物理化学过程 ,扩大点火的浓度极限 ,提高点火的可靠性及燃烧的稳定性 .本文用等效的内部加热区代替产生欧姆热的电弧 ,对等离子发生器内的热力学平衡和化学非平衡的空气热流体流场进行了数值模拟 ,分析了进气预旋角、进口气流总压和喷嘴气流压缩角对电极斑点附近的电极表面温度的影响 ,讨论了电极烧蚀之后电极表面温度的变化 .通过对数值模拟结果的分析。

关键词：等离子发生器化学非平衡点火技术数值计算

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高速湍流反应流的数值计算

高速湍流反应流的数值计算

作者：王建航上海交通大学

学位级别：硕士

高超声速飞行具有巨大的军用和民用价值，高超声速飞行器研制的一大主要难点在于动力装置――――超燃冲压发动机的研发。由于超燃冲压发动机内部流场异常复杂，使得理论研究和样机研制都遇到前所未有的困难。而地面试验和飞行实验因各... 详细信息

高超声速飞行具有巨大的军用和民用价值，高超声速飞行器研制的一大主要难点在于动力装置――――超燃冲压发动机的研发。由于超燃冲压发动机内部流场异常复杂，使得理论研究和样机研制都遇到前所未有的困难。而地面试验和飞行实验因各自的缺陷，难以满足大量而深入的研究需求。CFD数值模拟，作为一种日益成熟和完备的重要的流体力学研究手段和工具，具有对超燃冲压发动机内部流场的进行准确模拟的巨大潜力。本文从超燃冲压发动机内部流场的流动特征出发，抽象出高速湍流反应流这一描述此类物理化学过程的物理模型，在此基础上基于雷诺/法富尔平均的NS方程组，通过引入高效率的化学非平衡解算方法和新的考虑了湍流热量输运和质量输运的湍流模型，实现对于此类问题的更为准确而高效的计算模拟。通过新的数值方法和计算模型对若干具有超燃冲压发动机内部流动的典型特征的流动问题进行数值实验，验证了新的化学非平衡的求解方法的高效性;同时也体现出新的湍流模型对于湍流传热、传质上具有以往传统湍流模型所不具有的优势和特点。最后，本文还讨论了若干新兴的数值格式和计算模型，可见，它们对于今后高速湍流反应流的数值模拟具有巨大的潜力和应用价值。

关键词：超声速/高超声速流动计算流体力学化学非平衡湍流模式湍流普朗特数湍流施密特数well-balanced格式双通量模型

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类APOLLO返回舱的数值模拟研究

类APOLLO返回舱的数值模拟研究

作者：刘茂名哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

返回舱在返回地球的过程中与大气层发生剧烈的摩擦，产生大量的热量，巨大的动能转变成气体的内能，流场中气体的组分发生离解、复合、甚至电离等化学反应，这些化学反应会对返回舱周围流场参数产生重要的影响，是返回舱设计过程中必须... 详细信息

返回舱在返回地球的过程中与大气层发生剧烈的摩擦，产生大量的热量，巨大的动能转变成气体的内能，流场中气体的组分发生离解、复合、甚至电离等化学反应，这些化学反应会对返回舱周围流场参数产生重要的影响，是返回舱设计过程中必须考虑的关键因素。本文以类Apollo返回舱为研究对象，利用计算流体力学软件包对Navier-Stokes方程进行了数值求解，分析了热化学非平衡效应对返回舱的影响。本课题首先对不同的化学反应动力学模型进行验证，通过数值结果和实验结果的对比，发现Gupta和Park两种模型在激波捕捉和压力计算方面都能够与实验值匹配很好，但Gupta计算的返回舱壁面热流与实验值更吻合，而Park模型计算得到的壁面热流较小。并采用了三种不同的气体温度模型对返回舱进行了数值模拟，计算结果表明三种气体模型计算得到的压力几乎一致,完全气体模型得到的流场温度最高，双温度气体模型的流场温度次之，单温度气体模型的流场温度最小。本文还对返回舱在不同马赫数和小攻角下的流场进行了数值研究，计算结果表明，马赫数越大，返回舱的脱体激波距离越小，热化学非平衡现象越明显;攻角会影响壁面驻点位置，攻角越大，驻点越接近迎风面的肩部，且在迎风面区域，气体组分的离解比较剧烈，非平衡效应较明显。

关键词：返回舱气体温度模型化学非平衡马赫数攻角