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采用态态模型的高温非平衡流场辐射特性研究

采用态态模型的高温非平衡流场辐射特性研究

作者：郑伟杰国防科技大学

学位级别：硕士

本文采用态-态模型,对O/O气体混合物,综合考虑振动松弛、化学反应和辐射跃迁,数值研究封闭静止系统的非平衡过渡过程和一维正激波后高温流场热化学非平衡与辐射特性。采用准经典轨道方法(QCT)和强迫谐振子模型(FHO)计算O分子与O分子、O... 详细信息

本文采用态-态模型,对O/O气体混合物,综合考虑振动松弛、化学反应和辐射跃迁,数值研究封闭静止系统的非平衡过渡过程和一维正激波后高温流场热化学非平衡与辐射特性。采用准经典轨道方法(QCT)和强迫谐振子模型(FHO)计算O分子与O分子、O原子碰撞导致的振动能级跃迁和离解-复合反应的速率常数,计算结果与文献结果吻合较好。在此基础上,采用态-态模型数值模拟不同初始和设定条件下封闭静止的O/O混合物系统的热化学非平衡过程,经过与文献结果对比,验证了本文模型和计算方法的正确性。首先将控制振动松弛的三类微观过程(分子参与的振动-平动能量交换过程VTm,原子参与的振动-平动能量交换过程VTa,振动-振动能量交换过程VV)单独模拟,研究各类过程对系统热化学组成和能级分布演化的贡献。结果表明平动-振动能量交换过程是控制振动松弛的重要过程,它驱动振动能级分布逐渐向平动温度下的玻尔兹曼分布趋近,而振动-振动能量交换反而抑制了这一过程的进程。而后将振动松弛和化学反应分开计算,研究二者相互影响特点。结果表明,当温度较低时,化学反应特征时间远大于振动松弛时间,化学反应过程对振动松弛过程影响较弱;而当温度较高(T>10000K)时,二者同时发生,化学反应对振动松弛过程影响大,可能使振动温度呈现非单调变化情况。进一步在非平衡过渡过程中包含辐射跃迁,将其与振动松弛、化学反应耦合求解,研究非平衡辐射系数、辐射强度的演化情况及各个过程对系统化学组成和振动能级分布变化的贡献。结果表明谱发射系数峰值对应波长随振动温度增大而减小,吸收系数峰值对应波长则随振动温度的增大而增大。本文算例显示,分子能级的辐射生成项远低于平动-振动跃迁生成项,非平衡辐射的特征时间远大于振动松弛时间,辐射跃迁对热化学非平衡过程的影响很小。最后采用态-态模型数值模拟正激波后一维非平衡流场与辐射场,结果表明振动能级分布不仅偏离平动温度下的玻尔兹曼分布,也偏离振动温度下的玻尔兹曼分布,双温度模型无法细致地描述振动能级分布。随着激波前气流速度增大,激波后流场的辐射强度及辐射通量散度项峰值增大,最终达到平衡辐射所需的时间(松弛距离)减小。本文算例条件下,辐射对流场及振动能级非平衡分布的影响很小,流场和辐射场可以解耦计算。

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

Additive Runge-Kutta methods for H_2/O_2/Ar detonation with a detailed elementary chemical reaction model

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Chinese Science Bulletin 2013年第11期58卷 1216-1227页

作者： LI Jian REN HuiLan NING JianGuo State Key Laboratory of Explosion Science and Technology Beijing Institute of Technology

We report here the additive Runge-Kutta methods for computing reactive Euler equations with a stiff source term, and in particular, their applications in gaseous detonation simulations. The source term in gaseous detonation is stiff due to the presence of wide range of time scales during thermal-chemical non-equilibrium reactive processes and some of these time scales are much smaller than that of hydrodynamic flow. The high order, L-stable, additive Runge-Kutta methods proposed in this paper resolved the stiff source term into the stiff part and non-stiff part, in which the stiff part was solved implicitly while the non-stiff part was handled explicitly. The proposed method was successfully applied to simulating the gaseous detonation in a stoichiometric H2/O2 /Ar mixture based on a detailed elementary chemical reaction model comprised of 9 species and 19 elementary reactions. The results showed that the stiffly accurate additive Runge-Kutta methods can capture the discontinuity well, and describe the detonation complex wave configurations accurately such as the triple wave structure and cellular pattern.

关键词：化学反应模型添加剂塔引爆气相爆轰热化学非平衡应用程序时间尺度

十一组元高温平衡、非平衡空气光谱吸收系数计算(英文)

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Chinese Journal of Aeronautics 2001年第3期14卷 140-146页

作者：董士奎谈和平贺志宏余其铮哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨 150001

飞行器以很高的马赫数再入大气层时 ,头部激波层、尾迹的气体辐射产生的紫外、可见、红外特征信号 ,是地面监测和反导制导系统探测、识别的主要依据 ;同时 ,头部气体层热辐射也是再入体壁面加热热流的重要源项。激波层内高温气体吸收系... 详细信息

飞行器以很高的马赫数再入大气层时 ,头部激波层、尾迹的气体辐射产生的紫外、可见、红外特征信号 ,是地面监测和反导制导系统探测、识别的主要依据 ;同时 ,头部气体层热辐射也是再入体壁面加热热流的重要源项。激波层内高温气体吸收系数是目标紫外、可见光、红外辐射特性计算、热防护计算和气动流场辐射场耦合计算的基本参数。本文分析了再入过程中高超声速稀薄气体流的非平衡现象 ,采用三温度模型 (电子能温度 Te、振动能温度 TV、转动和平动能温度 TR)来表征激波层内非平衡态的气体组份各个能级占有数分布 ,并由原子分子辐射理论直接计算 N2 ,N+ 2 ,N,N+ ,O2 ,O+ 2 ,O,O+ ,NO,NO+和 e-等 1 1种主要空气组元各种能级跃迁对辐射的贡献 ,最终得到平稀和非平衡高温空气吸收系数计算模型。计算结果可见光区与试验结果符合较好 ,紫外。

关键词：再入目标激波层辐射 11组元空气模型热化学非平衡光谱吸收系数

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壁面催化条件对热环境预测的影响

航天器环境工程 2009年第Z1期26卷 45-49页

作者：苗文博程晓丽艾邦成中国航天空气动力技术研究院北京100074

基于高超声速飞行器热流精确预测的需要,文章采用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中壁面催化条件对热环境的影响。针对RAM-CII气动外形,使用AUSM+-up格式耦合LU-SGS方法求解带化学反应源项的多组分NS方程。得到如下结论:... 详细信息

基于高超声速飞行器热流精确预测的需要,文章采用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中壁面催化条件对热环境的影响。针对RAM-CII气动外形,使用AUSM+-up格式耦合LU-SGS方法求解带化学反应源项的多组分NS方程。得到如下结论:有限催化壁结果介于完全催化壁以及非催化壁之间;壁面催化特性的差异主要体现在热流的组分扩散项部分,因此可以通过评估完全催化壁时组分扩散项所占比率大小来预测壁面热流准确值。

关键词：热化学非平衡气动加热壁面催化条件组分扩散项

壁面催化对高超声速飞行器流场特性影响的数值分析

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壁面催化对高超声速飞行器流场特性影响的数值分析

第十三届全国激波与激波管学术会议

作者：曾明柳军瞿章华国防科学技术大学航天与材料工程学院

本文通过数值模拟高超声速飞行器高温热化学非平衡流场,研究壁面催化条件对流场特性的影响。在飞行速度5～11km/s、飞行高度41～77km范围,比较不同壁面催化条件(全催化、非催化或部分催化)下球锥或飞船返回舱模型的非平衡流场结果,分析... 详细信息

本文通过数值模拟高超声速飞行器高温热化学非平衡流场,研究壁面催化条件对流场特性的影响。在飞行速度5～11km/s、飞行高度41～77km范围,比较不同壁面催化条件(全催化、非催化或部分催化)下球锥或飞船返回舱模型的非平衡流场结果,分析壁面催化条件对流场参数分布、激波脱体距离、壁面传热等特性的影响,讨论壁面催化影响程度与飞行速度和高度的关系。并通过设定壁面浓度梯度条件模拟有限催化的情况,初步考查了壁面部分催化的影响。

关键词：高超声速热化学非平衡壁面催化数值模拟

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电弧风洞高焓流场模拟验证

电弧风洞高焓流场模拟验证

第十九届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会

作者：罗万清粟斯尧杨远剑梁剑寒中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室哈尔滨工业大学航天学院

通常情况下电弧风洞内部流场处于高焓状态,试验气体振动模式能量激发,且发生离解甚至电离,对电弧风洞中流场数值模拟需要考虑热化学非平衡效应。基于有限体积离散,建立了电弧风洞高焓流场多组元热化学非平衡流场数值模拟方法。针对中国... 详细信息

通常情况下电弧风洞内部流场处于高焓状态,试验气体振动模式能量激发,且发生离解甚至电离,对电弧风洞中流场数值模拟需要考虑热化学非平衡效应。基于有限体积离散,建立了电弧风洞高焓流场多组元热化学非平衡流场数值模拟方法。针对中国空气动力研究与发展中心电弧风洞部分试验状态的高焓流场进行了模拟,获得了试验状态的流场特性和模型表面热流分布,通过与试验测量值比较验证建立的数值方法,研究发现数值模拟获得的热流与试验测量值差异较小,表明数值模拟方法可以在试验设计中发挥指导作用。

关键词：电弧风洞热化学非平衡高焓流场数值模拟

利用隐式时间推进格式的高阶激波装配法加速收敛研究

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利用隐式时间推进格式的高阶激波装配法加速收敛研究

第十一届全国流体力学学术会议

作者：陈贤亮符松清华大学航天航空学院

高阶激波装配法是研究高超声速边界层流动转捩的一个有效数值方法。与激波捕获法相比,激波装配法适用于处理与激波有关的相互作用,并且能够有效消除波后数值振荡。目前激波装配法在时间推进格式上主要使用显式推进,而可实现加速收敛的... 详细信息

高阶激波装配法是研究高超声速边界层流动转捩的一个有效数值方法。与激波捕获法相比,激波装配法适用于处理与激波有关的相互作用,并且能够有效消除波后数值振荡。目前激波装配法在时间推进格式上主要使用显式推进,而可实现加速收敛的隐式时间推进方法受到的关注较少,因为激波装配引起的动激波和动网格增加了隐式格式的构造难度。本文实现了两种隐式时间推进方法,分别是GMRES(广义最小残差法)和LR(线松弛),从而提高了利用5阶激波装配法的定常流场计算的收敛速度。所发展的求解器含有两种气体模型,包括量热完全气体和5组分热化学非平衡气体,后者主要适用于高超声速高焓流场。对于GMRES,其用于激波装配法时具有独特优势,因为其算法能够实现无矩阵化,从而避免了显式推导与激波运动有关的复杂导数。本文还实现并比较了三种不同的GMRES预处理方法,包括不做预处理、使用GMRES本身和使用静态迭代法进行预处理。在静态迭代法中,本文选择并扩展了线松弛方法,来对流场更新和激波运动进行解耦。所构造的含内迭代的线松弛格式求解成本低、收敛速度快、并且适合并行计算。本文针对高超声速钝头体绕流测试了三个典型算例,气体模型包括量热完全气体和热化学非平衡气体。数值结果表明,即使对数值刚性很大的热化学非平衡流动,不做预处理的GMRES也能相当平滑地收敛,但是在每个时间步所需的Krylov子空间基数超过了10。使用有效的预处理器能提高GMRES的收敛效率,从而降低单个时间步内所需的Krylov子空间基数。因此,与无预处理的GMRES相比,GMRES+LR的组合能够进一步提高计算效率;GMRES+GMRES的组合没有实现加速收敛,因为每次预处理时都需要计算Frechet导数、会耗费过多时间。线松弛格式在三个算例下都表现很好,它既可以单独作为时间推进方法,也可作为GMRES的预处理器。综合来看,与目前主要使用的显式/半隐式RK推进相比,LR-M(3)和GMRES+LR-M(1)的收敛速度能提高4到20倍。。

关键词：高超声速流动激波装配法 GMRES 热化学非平衡

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高超声速非平衡流研究进展

高超声速非平衡流研究进展

中国力学大会-2017暨庆祝中国力学学会成立60周年大...

作者：李海燕石安华马平罗万清中国空气动力研究与发展中心

由于连续流CFD(Computational Fluid Dynamics)和稀薄气体流动DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法的快速发展以及对其过渡依赖,使得人们在发展代表复杂化学物理现象的简单数学模型方面承受着巨大的压力,这导致了流动物理特性的正... 详细信息

由于连续流CFD(Computational Fluid Dynamics)和稀薄气体流动DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法的快速发展以及对其过渡依赖,使得人们在发展代表复杂化学物理现象的简单数学模型方面承受着巨大的压力,这导致了流动物理特性的正确模拟和理解方面发展的滞后。只是在最近一些年来,人们对基本的高超声速非平衡流模拟重新加深了认识,这为采用CFD和DSMC方法精确预测高超声速流动提出了实实在在的挑战。本文对新发展的物理模型和计算方法进行概括论述,包括高超声速非平衡流输运方程、DSMC方法、CFD方法、气体表面相互作用模型,以期望通过模型精度和算法方面的改善来改进今后用于飞行器设计的高超声速非平衡流计算方法。

关键词：高超声速热化学非平衡气动热力学空气动力学 CFD DSMC

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驻点壁面催化速率常数确定的研究

流体力学实验与测量 2000年第3期14卷 1-6页

作者：董维中乐嘉陵刘伟雄中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡NavierStokes方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用5组分17个化学反应DunnKang空气化学模型和轴对称热化学非平衡NavierStokes方程，对激波管中球头和... 详细信息

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡NavierStokes方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用5组分17个化学反应DunnKang空气化学模型和轴对称热化学非平衡NavierStokes方程，对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟，给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布，并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Pt、SiO2、Ni和某种飞船材料的催化速率常数，建立了数值分析高焓流动边界层催化特性的软件。

关键词：催化速率常数热化学非平衡激波管平衡流动