火星进入舱气动热的催化效应及非平衡效应

摘要

火星是太阳系八大行星之一，属类地行星。火星探测能够提高国家科研技术水平，航天技术的发展能够带动其他各行业的科技进步。深空探测必须要解决高超声速气动加热问题，热化学非平衡现象和壁面催化效应是影响高超声速气动热数值模拟结果的关键因素。为了对探测器的气动热环境进行更精确的数值模拟，必须探究更精确更符合实际的数学物理模型。
　　本文以火星探路者号(MPF)进入舱为例，利用商业软件CFD-FASTRAN对其进行二维轴对称N-S方程求解，比较了不同化学反应模型和壁面催化条件对模拟结果的影响。
　　首先，本文建立了热化学非平衡流的二维轴对称数学模型，并以RAM-C为例，采用空气的5组分化学反应模型及完全催化壁条件，分别计算了单温模型与双温模型的热化学非平衡流场，结果表明:不同温度模型主要影响壁面热流的对流换热部分，数值模拟结果也与文献对比良好。
　　其次，以MPF为例，对其进入火星大气层过程中三个典型时间点下的二维气动热环境进行模拟，其中化学反应模型采用火星大气8组分模型，壁面分别采用完全催化壁条件和非催化壁条件，比较了不同壁面催化条件对模拟结果的影响。结果表明:壁面催化条件通过影响壁面附近组分质量分数的分布，影响壁面热流值的组分扩散部分，完全催化壁条件对应热流值结果较非催化壁条件最大高50％。另外，不同壁面催化条件对MPF外流场的压力分布，马赫数分布，激波脱体距离以及温度分布影响不大。
　　最后，分别采用火星大气的8组分化学反应模型和11组分化学反应模型对MPF三个工况下的二维气动热环境进行数值模拟，壁面采用完全催化壁条件，比较了不同化学反应模型对模拟结果的影响。结果表明:在热化学非平衡现象明显时，化学反应模型对外流场温度和壁面热流值有一定影响，而在热化学非平衡现象不明显时，此差异不明显。另外，相应的，在热化学非平衡现象明显时，化学反应模型在一定程度上影响了MPF外流场组分分布情况。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究意义

1．2 研究进展

1．2．1 非平衡效应的研究进展

1．2．2 壁面催化效应研究进展

1．3 本文主要工作

2 热化学非平衡流的二维轴对称数学模型及验证

2．1 流场的非平衡效应

2．2 二维热化学非平衡流的轴对称数学模型

2．2．1 流动控制方程

2．2．2 气体属性

2．2．3 扩散封闭模型

2．2．4 输运特性

2．2．5 热化学源项

2．2．6 边界条件

2．2．7 数值方法

2．3 CFD-FASTRAN软件介绍

2．4 方法验证

2．4．1 计算工况

2．4．2 计算结果与验证

2．4 小结

3 火星进入舱气动热的壁面催化效应

3．1 壁面催化效应

3．2 计算条件与计算网格

3．3 计算结果对比分析

3．4 小结

4 催化条件下气动热的非平衡效应

4．1 8组分化学反应模型与11组分化学反应模型

4．2 计算条件与计算网格

4．3 计算结果对比分析

4．4 小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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