PHAROS求解火星进入热化学非平衡流场的测试及应用

进入段气动热环境的有效预测对火星探测器气动热防护设计具有重要意义。本文基于自研的有限体积计算流体力学(CFD)求解器PHAROS,引入两温度和8组分火星大气化学反应动力学模型,成功实现了对火星进入热化学非平衡流场的数值模拟。PHAROS预测的激波脱体距离和表面热流与HET风洞火星科学实验室(MSL)模型试验数据一致,证实了该求解器的可靠性。计算结果表明,HYPULSE风洞试验模型高温激波层和肩部下游膨胀区内存在显著的热力学非平衡。同时,本文还利用PHAROS对MSL的真实有迎角飞行工况开展三维模拟,该条件下MSL辐射平衡壁面高温分布在球头和下肩部,约1300K,表面高低温差近300K;MSL前体表面具有双环式压强分布,壁面对流传热最大值出现在球头附近,为0.53MW/m^(2),下肩部同样具有较高的气动加热水平。算例测试和应用研究表明,PHAROS求解器可对火星进入段气动热环境实现可靠预测,为未来火星探测器气动加热规律研究和气动热防护设计提供技术支持。

极高速再入飞行器高温非平衡流场与热辐射耦合模拟研究

再入飞行器气动热环境准确预测对深空探索和返回任务具有至关重要的意义。本文采用了非灰气体多台阶模型计算高温大气辐射吸收系数,离散坐标法求解辐射传输方程,并与自研高超声速热化学非平衡流场求解器相结合,对FIREⅡ飞行试验算例分别进行了流场与热辐射耦合和非耦合模拟研究,预测的FIREⅡ表面热流与LAURA和DPLR计算结果一致,验证了本文数值方法的可靠性。研究结果表明,该算例工况下流场和热辐射场具有显著的耦合作用:一方面激波层内的辐射能量吸收与发射使得流场非绝热,导致辐射冷却效应,使得温度降低、密度增加,激波层变得更加薄;另一方面辐射耦合影响了大气组分的化学反应过程,而空气组分构成及其热力学状态则直接影响辐射的水平。非耦合与耦合模拟给出的驻点对流热流相差较小,但辐射热流耦合值较非耦合值下降约15%,辐射耦合作用不可忽视。本文的研究可为极高速再入飞行器气动热环境预测和热防护设计提供较好的方法支持和理论参考。