高超声速飞行器高温流场的非平衡光谱辐射特性研究

摘要

飞行器进入大气时周围流场会形成很强的激波，激波后温度和压力显著增加，引发热化学非平衡反应。高温气体的辐射效应对飞行器表面热流的影响非常显著，为了有效地设计飞行器的热防护系统，就需要求解高温流场的辐射特性。本文基于Park双温度反应动力学模型对RAM_CⅡ探测器再入地球大气时周围高温流场进行了数值模拟，研究了高温流场的气体动力学特性和光谱辐射特性，分析了激波后高温流场不同位置非平衡程度的大小，然后用逐线法求解了激波后高温流场的光谱辐射特性。
　　双温度模型和其演化得到的多温度模型是现阶段数值模拟高超声速飞行器周围非平衡反应流场的主要模型。本文基于考虑振动能守恒的欧拉方程来求解RAM_CⅡ探测器再入地球大气时距地高度为61km、71km和81km时周围流场的分布，非平衡效应用双温度模型来表征，考虑的反应气体混合物组分分别为5组分、7组分和11组分。数值模拟得到的滞止线上温度、组分浓度的分布与文献吻合，电子数密度与飞行试验探测的结果吻合。高温区域分布在头部激波后的流场。随着高度的增加，流场温度增加，激波脱体距离增大，组分数密度减小，从壁面到自由来流电子数密度沿径向先减小后增大。同时，本文定义了一个无量纲参数“非平衡度”，用来表征流场不同位置非平衡程度的大小。通过分析表明，紧贴激波的薄层区域非平衡度高达0.9，是整个流场非平衡度最大的区域。
　　在求解气体辐射特性时，逐线法能得到高分辨率、高精度的结果。本文基于模拟获得的流场数据，采用逐线法求解高温气体的光谱辐射特性。分析研究了滞止线上一点1000-150000cm-1范围内空气等离子体的非平衡辐射机制，包括束缚-束缚跃迁、束缚-自由跃迁和自由-自由跃迁。结果表明，在红外波段，自由-自由跃迁和NO的红外电子谱带对吸收系数的贡献较大；在近红外和可见光波段，N、O原子的离散跃迁和N2、N2+的离散跃迁对吸收系数的贡献较大；在紫外波段，原子的离散跃迁和原子分子的光电离跃迁对吸收系数的贡献较大。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 非平衡反应流数值模拟的理论基础

2.1 控制方程

2.2 化学模型

2.3 能量交换模型

2.4 数值方法

2.5 非平衡反应流数值模拟的计算软件：CFD-FASTRAN

2.6 本章小节

第3章 高温气体辐射的理论基础

3.1 辐射机制

3.2 广义的基尔霍夫-普朗特定律

3.3 本章小节

第4章 飞行器再入地球大气非平衡反应流数值模拟

4.1 物理模型

4.2 结果分析

4.3 本章小节

第5章 激波后高温气体非平衡光谱辐射特性分析

5.1 程序正确性验证

5.2 辐射机制研究

5.3 本章小节

结论

参考文献

声明

致谢