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高温热化学非平衡气动热试验与仿真技术研究进展

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力学学报 2023年第11期55卷 2439-2452页

作者：罗仕超张志刚柳军龚红明胡守超吴里银常雨庄宇李贤黄成扬中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心跨流域空气动力学重点实验室四川绵阳621000 国防科技大学空天科学学院长沙410073

临近空间新型飞行器向全空域、更高马赫数发展,面临的气动热环境会越发恶劣,高温流场气动热预测技术是该类飞行器发展的关键技术之一.高超声速气流通过激波压缩或黏性阻滞减速,分子动能转化为内能,产生了高温.高温引起体分子振动、电子... 详细信息

临近空间新型飞行器向全空域、更高马赫数发展,面临的气动热环境会越发恶劣,高温流场气动热预测技术是该类飞行器发展的关键技术之一.高超声速气流通过激波压缩或黏性阻滞减速,分子动能转化为内能,产生了高温.高温引起体分子振动、电子激发,伴随离解、电离反应等一系列复杂气动物理现象,其流场气动热预测面临诸多挑战.文章对高温热化学非平衡气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨.首先,阐述了国内外高温气动热地面试验技术的发展历程,重点介绍分析了气动热风洞试验设备的模拟能力及目前试验测试技术的研究水平;然后,调研和讨论了高温气动热数值模拟研究现状,分别从热化学模型、辐射输运和壁面催化/烧蚀等多个角度探讨了热化学非平衡流场气动热数值模拟规律;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了高温气动热试验与仿真技术后续应重点解决的问题.

关键词：高超声速热化学非平衡气动热数值模拟试验技术

全隐LU-SGS算法在高超声速热化学非平衡流刚性问题中的应用

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国防科技大学学报 2022年第2期44卷 1-8页

作者：蒋浩柳军王君媛黄伟杜洋国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073

在高超声速热化学非平衡流动计算中,当地气体能量松弛时间、化学反应特征时间与流动时间推进步长量级差异过大会带来严重数值刚性问题,且在高雷诺数条件下,壁面、拐角等强干扰区网格加密使得该问题加剧,导致初始最大CFL数极小,收敛速度... 详细信息

在高超声速热化学非平衡流动计算中,当地气体能量松弛时间、化学反应特征时间与流动时间推进步长量级差异过大会带来严重数值刚性问题,且在高雷诺数条件下,壁面、拐角等强干扰区网格加密使得该问题加剧,导致初始最大CFL数极小,收敛速度缓慢。原始LU-SGS算法仅考虑化学反应源项和对流项的隐式处理,通过推导黏性项Jacobian矩阵谱半径并采用对角近似处理,发展了热化学非平衡FLU-SGS和BLU-SGS两种全隐LU-SGS算法;针对高焓二维圆柱和轴对称返回舱算例,对比改进前后三种算法的收敛特性。结果表明,FLU-SGS及BLU-SGS算法能够快速建立强黏性干扰和大分离流场、解决热化学非平衡复杂流计算中的刚性问题,实现初始最大CFL数3至5个量级的提升,加速收敛效果明显。

关键词：高超声速热化学非平衡数值刚性全隐LU-SGS算法收敛性

壁面条件对高温热化学非平衡激波/湍流边界层干扰的影响

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空天技术 2023年第3期2023卷 40-51页

作者：蒋浩车学科张天天龚陟阳柴振霞柳军航天工程大学宇航科学与技术系国防科技大学空天科学学院高超声速冲压发动机技术重点实验室中国人民解放军91115部队

针对高马赫数、高雷诺数流动条件下高温激波/湍流边界层干扰机理认识存在的不足，采用自开发的热化学非平衡Navier-Stokes全隐式湍流求解器对典型激波/湍流边界层干扰流动开展了壁面条件影响的仿真研究，其中，热力学模型采用Park双温... 详细信息

针对高马赫数、高雷诺数流动条件下高温激波/湍流边界层干扰机理认识存在的不足，采用自开发的热化学非平衡Navier-Stokes全隐式湍流求解器对典型激波/湍流边界层干扰流动开展了壁面条件影响的仿真研究，其中，热力学模型采用Park双温度模型，化学反应基于Gupta的11组元模型，完整推导了雷诺平均热化学非平衡方法，植入了k-ωSST湍流模型，并采用典型算例进行验证。对高度30 km、马赫数20飞行条件下的34°压缩拐角流场进行了计算，结果表明，壁面温度和壁面催化条件的准确判断对确定高马赫数条件下激波/湍流边界层干扰壁面峰值参数至关重要，峰值摩阻和热流出现在颈部区域，颈部区域边界层近似处于热平衡状态。随着壁温升高，分离区长度略微增大，峰值热流相应减小，壁面温度对峰值摩阻和热流的影响幅度分别可达30%和10%左右，壁面催化条件对峰值摩阻和热流的影响幅度分别可达5%和20%左右。因此，在利用高超声速多物理场数值模拟手段进行飞行器辅助设计时，必须采用极限边界条件进行状态拉偏，以确定飞行器结构、热防护等系统的极限工作条件。

关键词：热化学非平衡高温湍流模型高超声速激波/湍流边界层干扰峰值热流壁面温度壁面催化

钝体头部热化学非平衡效应的CFD与DSMC仿真分析

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导弹与航天运载技术（中英文） 2022年第6期 123-127页

作者：任翔袁军娅蔡国飙北京航空航天大学北京100191

大气层中的高速飞行往往伴随着强烈的热化学非平衡效应,并对飞行器头部产生强烈的气动加热效应。使用可描述内能松弛和化学反应过程的CFD和DSMC方法分别对圆柱体开展不同来流速度的数值仿真,对比分析热化学非平衡效应对流场参数和气动... 详细信息

大气层中的高速飞行往往伴随着强烈的热化学非平衡效应,并对飞行器头部产生强烈的气动加热效应。使用可描述内能松弛和化学反应过程的CFD和DSMC方法分别对圆柱体开展不同来流速度的数值仿真,对比分析热化学非平衡效应对流场参数和气动热的影响。结果表明:在稀薄来流条件下,来流速度越大,分子内能的激发与离解过程会对气动热的准确预测影响越显著;在充分考虑热化学非平衡过程时,热流系数随来流速度的增大呈现先增后减再增的变化规律。

关键词：高速飞行热化学非平衡气动热 DSMC方法

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高超声速热化学非平衡对气动热环境影响

北京航空航天大学学报 2017年第10期43卷 2063-2072页

作者：杨建龙刘猛阿嵘北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

高超声速气动加热严重,考虑热化学非平衡对气动热环境影响,可以为热防护系统设计提供有效保障。采用Park和Gupta热化学非平衡模型,数值计算研究5组元(N_2,O_2,N,O,NO),17组化学反应的热化学非平衡效应对高超声速飞行器气动热环境影响,... 详细信息

高超声速气动加热严重,考虑热化学非平衡对气动热环境影响,可以为热防护系统设计提供有效保障。采用Park和Gupta热化学非平衡模型,数值计算研究5组元(N_2,O_2,N,O,NO),17组化学反应的热化学非平衡效应对高超声速飞行器气动热环境影响,并与完全气体和热化学平衡模型进行对比分析。热化学非平衡模型流场温度及激波距离均比完全气体模型小。激波后气体密度因离解、化学反应而增大,且气体密度越大,激波距离越小,热化学平衡模型激波距离最小。完全气体和热化学平衡模型热流载荷计算值均比实验值偏大。Park和Gupta热化学非平衡模型数值计算激波距离及气动力载荷差别小。Park模型热流载荷计算值偏大,Gupta模型与实验结果相符,它可对气动热环境可靠预测。

关键词：热化学非平衡数值计算高超声速气动热环境热流载荷

态-态模型下的O2/O系统热化学非平衡与辐射过程

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空气动力学学报 2020年第3期38卷 448-460页

作者：郑伟杰曾明王东方谢易国防科技大学空天科学学院长沙410073

采用态-态模型,研究包含振动能级跃迁、化学反应和辐射跃迁的O2/O系统的非平衡过渡过程。对静止的O2/O气体系统,设定不同的初始条件,突然降温或升温至3000K、10 000K、20 000K后保持等温等容,数值模拟组元质量分数、振动能级分布和辐射... 详细信息

采用态-态模型,研究包含振动能级跃迁、化学反应和辐射跃迁的O2/O系统的非平衡过渡过程。对静止的O2/O气体系统,设定不同的初始条件,突然降温或升温至3000K、10 000K、20 000K后保持等温等容,数值模拟组元质量分数、振动能级分布和辐射特性随时间的演化过程,分析不同条件下各类过程趋近平衡的松弛时间、稳态平衡结果等特征,以及辐射和热化学非平衡过程的相互影响特点。结果表明,态-态模型得到的振动温度趋近平衡值的特点与双温度模型所描述的不同,有时振动温度随时间甚至出现非单调变化的现象,非平衡过渡过程中的振动能级分布也不满足振动温度下的玻尔兹曼分布。本文算例显示出O2/O系统在高温条件下的非平衡辐射特征,不过辐射跃迁对热化学非平衡过程的影响不明显,非平衡辐射的特征时间达到振动松弛时间的10倍以上。

关键词：态-态模型热化学非平衡振动能级分布非平衡辐射数值模拟

电离对高超声速热化学非平衡气动热环境的影响

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北京航空航天大学学报 2018年第11期44卷 2364-2372页

作者：杨建龙刘猛北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

高超声速飞行,激波后高温气体会发生电离,飞行器气动热环境复杂。5组元(N_2,O_2,NO,O,N)、7组元(N_2,O_2,NO,O,N,NO+,e-)和11组元(N_2,O_2,NO,O,N,N+2,O+2,NO+,O+,N+,e-)热化学反应采用Gupta化学反应模型,分别数值研究电离作用对高超声速热化学非平衡气动热环境影响。本文分析了不同催化壁面条件下,高超声速热化学非平衡电离流场气动热环境特性。电离作用对激波离体距离和气动力载荷的影响很小。5组元热化学非平衡不考虑电离作用,流场温度和壁面热流密度偏大。11组元热化学平衡强电离流场温度最低; 7组元热化学非平衡弱电离流场NO+和e-生成量过低; 11组元热化学反应能对热化学非平衡电离流场气动力和热流密度载荷可靠预测。壁面催化作用会增大壁面热流密度,但它对高超声速热化学非平衡电离流场温度和气动力载荷的影响很小。

关键词：高超声速电离热化学非平衡气动热环境催化壁面

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高超声速热化学非平衡钝体绕流数值模拟

推进技术 2014年第12期35卷 1585-1591页

作者：杨恺原志超朱强华高效伟大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室/航空航天学院辽宁大连116024 北京动力机械研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室北京100074

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动... 详细信息

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动能源项采用了点隐式的处理,提高了计算效率。对球锥模型和RAM-CII飞行实验等算例进行了数值气动热模拟,分析了不同非平衡模型在热化学非平衡条件下流场的影响。计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。

关键词：高超声速热化学非平衡 TVD格式数值模拟

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热化学非平衡热流计算中网格收敛性研究

热化学非平衡热流计算中网格收敛性研究