高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高温条件下的热化学非平衡状态.本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动.态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合Euler方程或驻点线上的降维Navier-Stokes方程,数值求解得到了高温流动中的精细热化学非平衡状态.而双温度模型假设氧气的振动能级服从B oltzmann分布,通过求解振动能方程得到振动温度.一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散.态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程.无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级分子要经过很长距离后才能达到热平衡.在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布.计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应速率的影响,但是Park双温度模型将离解失去的振动能取为0.3~0.5倍分子离解能是比较合理的.

高超声速热化学非平衡流动双温度模型的精度研究

由于一些经验性的假设,高超声速热化学非平衡流动模拟中广泛使用的双温度模型包含很大的不确定性.为了克服传统双温度模型的缺陷,本文基于修正Marrone-Treanor model的方法建立了修正的Macheret-Fridman model.一些典型的算例被用来验证上述修正模型和广泛采用的双温度模型的精度.此外,本文重点分析和讨论了修正模型预测精度提高的原因.研究结果表明,基于Marrone-Treanor model的修正方法可以推广至传统的双温度模型中,并显著提高其预测精度.此外,精确模拟高超声速热化学非平衡流动需要考虑三个方面的因素:离解速率、振动-离解耦合作用以及非Boltzmann效应.非Boltzmann效应降低了离解速率和振动导致的离解能变化.对比而言,离解速率的影响大于非Boltzmann效应导致的离解能的变化.为了提高传统双温度模型的预测精度,未来工作可以主要集中在提高离解速率的精度上面.