高超声速稀薄流中化学反应的DSMC数值模拟研究

摘要

本文从分子气体动力学入手，结合现有直接蒙特卡洛(DSMC)的数值方法理论，对DSMC模拟高超声速稀薄流中的化学反应进行了研究，发展了一套适用于带化学反应的高超声速稀薄流动的DSMC数值模拟程序，并将其用于高空稀薄流中高超声速飞行器的气动力、气动热等问题的分析。 本文采用Larsen-Borgnakke唯象法来描述碰撞分子的平动能与内能之间的能量交换，并在此基础上，采用位阻因子法发展了一套DSMC唯象化学反应模型。对于离解反应，采用与振动能相结合的Larsen-Borgnakke唯象化学反应模型；对于其逆反应，引入了平衡碰撞理论来消除混合气体下，不同平衡温度对化学反应模拟所造成的偏差。另外，还尝试将最大熵方法引入DSMC中，取消了能量按当地平衡分布取样的假设限制，更能反映流动中存在的非平衡效应。 本文数值模拟采用了可变硬球(VHS)分子模型，根据DSMC方法中网格生成原则，发展了一种基于结构贴体网格下的复合分子运动轨迹跟踪法，有效地处理了模拟分子的跟踪定位。分子碰撞对的抽样采用非时间计数器(NTC)法，分子与物面的碰撞则采用了漫反射模型进行处理，部分算例加入了壁面有限催化处理，得到了有意义的结果。 最后，采用本文发展的方法，对热浴化学反应，高空高速圆柱绕流和钝头锥体绕流进行了数值模拟，对模拟所得的流场参数和物面参数进行了分析，并与理论、实验数据以及参考文献的数值结果进行比较，论证了本文发展的DSMC唯象化学反应模型的有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表，上下标，英文缩写词

西北工业大学学位论文知识产权声明书及原创性声明

第一章绪论

§1.1研究的背景及意义

§1.2 DSMC发展现状

§1.3本文的主要工作

第二章分子气体动力学与DSMC描述

§2.1 DSMC方法的综述

§2.2流动宏观模型与微观模型

§2.3分子平均自由程

§2.4流动分区与努森数

§2.5分子的结构与能态

§2.5.1分子的内能模态

§2.5.2分子的能态分布

§2.5.3分子的内能、内自由度和内能分布函数

§2.6气体的平衡态

§2.7分子间的相互作用

第三章分子与物面的相互作用

§3.1固壁的平衡分布模型

§3.2热适应模型

§3.3壁面催化率

第四章热化学非平衡流动

§4.1内能的激发与松弛

§4.1.1 Larsen-Borgnakke模型

§4.1.2 Larsen-Borgnakke模型的一般表达

§4.1.3间断能级的Larsen-Borgnakke模型

§4.2松弛碰撞数

§4.3化学反应的模拟

§4.3.1化学反应速率常数

§4.3.2 DSMC中化学反应的模拟

§4.3.3平衡碰撞理论

§4.3.4离解反应的思考

§4.4反应流中的非平衡效应

§4.4.1非反应流与反应流

§4.4.2最大熵方法

§4.5电离和热辐射

第五章DSMC中的数值技术

§5.1网格

§5.2碰撞对的选取

§5.3时间步长

§5.4模拟分子的跟踪

§5.5边界处理

§5.6宏观量的统计

第六章算例

§6.1热浴

§6.1.1计算条件

§6.1.2反应模拟

§6.1.3模拟结果及分析

§6.2高超声速圆柱绕流的非平衡效应研究

§6.2.1计算条件

§6.2.2模拟结果及分析

§6.3化学反应对高超声速钝头锥体绕流的影响

§6.3.1计算条件

§6.3.2模拟结果及分析

第七章总结与展望

§7.1工作总结

§7.2未来工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

附录