高温非平衡效应下的激波干扰与激波反射

摘要

高超声速飞行器再入大气层时，气流穿过其周围的激波产生极高的温度，从而引发气体多模式内能激发、离解电离等物理化学现象。在高空低密度下，物理化学过程常处于非平衡弛豫状态，分子多内能模式之间发生能量转换，气体组分也因化学反应不断改变，致使高温区域流场和气流特性不均匀，这些现象称之为高温热化学非平衡效应。非平衡效应改变气体和流场特性、激波位置和形状、边界层分离区大小，对飞行器的气动力热特性有着很大的影响。激波/激波干扰和激波反射是高超声速飞行器内外流研究比较常见的两个基本物理问题，但现有的大量研究主要基于完全气体模型，而对于考虑高温非平衡效应的研究较少。本文将围绕激波/激波干扰和激波反射问题展开研究，着重考察高温非平衡效应对激波干扰类型转换和激波反射迟滞现象的影响。
　　本文首先介绍了描述热化学非平衡效应的各种物理模型，其中热力学模型包括多种内能模式以及各种状态物理量的表征，不同内能模式之间能量转换弛豫方程，混合气体的输运特性;化学动力学模型包括化学反应速率系数，离解振动耦合模型以及组分质量生成率。将热化学非平衡模型与流动方程耦合形成考虑非平衡效应的控制方程，并发展相应的数值方法。利用发展的计算程序，对不同构型的几何体绕流进行数值模拟。几何构型包括了圆柱、圆球以及压缩拐角，来流包含不同的来流组分、不同范围的高马赫数。计算考虑了无粘、粘性等温以及粘性绝热条件，计算结果包括了脱体激波距离、滞止线物理量分布、壁面压力、壁面热流、壁面摩擦力、边界层厚度以及边界层分离区。与已有的实验以及文献数据进行对比发现，数值程序能够较好地捕捉激波形状，并能有效地模拟非平衡弛豫过程，对粘性相关的流场物理量也能得到较为可靠的结果。
　　其次建立激波干扰和激波反射的理论分析工具。将气流通过激波分为冻结过程和非平衡弛豫过程，考察一维正激波之后的弛豫过程，引入一个物理量—非平衡弛豫距离δneq，建立正激波后物理量函数关系式，并将其扩展到斜激波。将膨胀扇分割为一系列的无穷小等熵准定常膨胀过程，通过数值积分建立膨胀波前后物理量函数关系式。参照量热完全气体模型下的激波极线，将建立的激波膨胀波函数关系式形成非平衡流动激波极线图，并给出表征非平衡弛豫效应的物理量δneq的取值基本原则。
　　然后利用已经发展的数值程序和理论分析工具，对高超声速双楔绕流激波干扰类型Ⅵ和Ⅴ及其相互转换条件(双楔的第二倾斜角θ2)进行研究。考察每个激波后的气体到达平衡态所需的平衡弛豫长度，给出每个激波后的区域合适的非平衡弛豫距离δneq，并利用非平衡流动激波极线方法，理论分析给出不同马赫数下激波干扰类型Ⅵ和Ⅴ的临界转换角。将理论得到的结果作为数值计算初始角度选取参考，模拟类型Ⅵ到Ⅴ的完整转换过程，得到完整转换过程的临界转换角区间。将数值与理论相对比，重点对比了Ma=11时的流场压力值、波系结构以及波系转换临界条件。对比发现，利用非平衡流动激波极线方法得到的临界条件和局部压力值与计算结果比较吻合，并且非平衡激波极线能够预测在固定几何条件下的波系结构。由此说明发展的非平衡极线分析方法是可靠的，给定的非平衡弛豫距离选取也是合理的。对比量热完全气体和非平衡气体，两种模型得到的结果差异比较明显，非平衡效应使得临界转换角增大，且临界角随着马赫数增大而增大。对于量热完全气体，随着马赫数增大，临界转换角是减小的。在整个马赫数区间7＜ Ma＜18内，量热完全气体模型得到的临界角随马赫数的变化幅度很小，但非平衡气体模型得到的临界角变化幅度接近4°。虽然非平衡效应增大了临界转换角，但类型Ⅵ到Ⅴ的完整转换过程所需的临界角区间在不同马赫数下基本保持一致。
　　最后对考虑非平衡效应下的定常激波规则反射和马赫反射迟滞效应进行了初步的理论和数值研究。理论和计算结果均表明，非平衡效应使得平衡条件对应的临界角θN和脱体条件对应的临界角θD均增大。其中θN的变化量很小，θD变化幅度较大，整个迟滞角度区间呈增大趋势。数值计算过程与理论分析方法为激波反射问题进一步的研究奠定了基础。

目录

声明

摘要

插图索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 高温非平衡效应的概念

1．2 高温非平衡效应研究的意义

1．3 高温非平衡流动的研究现状

1．3．1 热化学非平衡流的数值研究

1．3．2 激波极线方法

1．3．3 高超声速飞行中的主要物理现象

1．4 本文内容安排

第二章 热化学非平衡物理模型

2．1 控制方程

2．2 热力学模型

2．2．1 不同内能模式表达式

2．2．2 振动松弛方程

2．2．3 混合气体特性

2．2．4 输运模型

2．3 化学动力学模型

2．3．1 质量生成速率

2．3．2 化学反应速率系数

2．3．3 振动离解耦合模型

2．4 本章小结

第三章 数值方法及验证

3．1 网格信息

3．1．1 数据结构

3．1．2 网格自适应

3．2 方程的离散求解

3．3 流场计算方法

3．3．1 梯度计算

3．3．2 重构和预估步

3．3．3 通量计算

3．4 非平衡源项计算

3．4．1 边界条件

3．5 收敛性判断

3．6 程序结构以及OpenMP并行

3．7 数值程序验证算例

3．7．1 氮气绕圆柱流动

3．7．2 五组分空气绕圆柱流动

3．7．3 三维球头体绕流

3．7．4 压缩拐角绕流

3．8 本章小结

第四章 非平衡激波极线方法

4．1 正激波后的非平衡流动

4．2 一维定常非平衡弛豫过程控制方程

4．3 一维正激波后弛豫区间的物理量分布

4．4 正激波前后物理量关系式

4．5 斜激波前后物理量关系式

4．6 膨胀波关系式

4．7 激波极线方法

4．8 本章小结

第五章 高超声速双楔绕流激波干扰

5．1 激波／激波干扰类型

5．1．1 双楔绕流激波干扰类型Ⅵ和Ⅴ的波系结构

5．2 非平衡效应对双楔绕流激波干扰类型Ⅵ和Ⅴ的转换的影响

5．2．1 理论分析

5．2．2 数值模拟

5．3 本章小结

第六章 定常激波规则反射和马赫反射的迟滞现象

6．1 规则反射和马赫反射的迟滞效应

6．2 非平衡效应对迟滞区间的影响

6．2．1 数值求解方法及过程描述

6．2．2 RR?M R，量热完全气体

6．2．3 RR?M R，非平衡气体

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果