态-态模型下的CO_(2)系统热非平衡过程数值研究

以火星大气条件下飞行器非平衡流场研究为背景,采用态-态模型对定容静止CO_(2)系统自30 km火星大气条件(181 K)瞬时升温后的热非平衡过程开展数值模拟。考虑CO_(2)分子的对称拉伸、弯曲和非对称拉伸三个振动模态共201个振动能级,微观过程包括:振动-平动(VT)能量交换过程引起的同一模态内部的和不同模态间的振动能级跃迁,振动-振动(VV)能量交换过程引起的同一模态内部振动能级跃迁。分析不同振动模态的能级分布演化特点,并考察对应微观过程细节探究内在原因,结果表明:VT过程起支配作用,对由初始低温突然升温后保持定温的气体非平衡过程,VV过程的贡献可以忽略;CO_(2)分子的弯曲振动模态具有最快的激发速率,平衡时也具有最高的粒子数占比,升温至2 000 K情况下,对称拉伸和非对称拉伸模态的松弛时间约为弯曲模态的2.2倍和46.1倍;更高温度下振动能级跃迁速率加大,升温至5 000 K情况达到平衡的平均松弛时间比2 000 K情况低了2个量级。

一种数据驱动的气动热预示模型

高效、高精度的气动热预示是高超声速飞行器设计的关键。然而,随着高超声速飞行器外形的日益复杂化和设计周期的不断缩紧,现有方法已很难满足高效精准的气动热预示。本文基于边界层理论和支持向量机发展了一种数据驱动的当地化气动热预示建模方法。首先,通过求解Euler方程获得边界层外缘信息,采用RANS方法计算热流分布样本;然后,通过设计的特征选择方法确定边界层外缘特征;最后,利用支持向量机构建气动热预示模型,实现边界层外缘特征与壁面热流的映射。对双椭球和二级压缩面的热流预示结果表明,该模型考虑了非均匀分布壁面温度等边界条件,具有较高的预示精度和良好的外推与泛化性能,典型位置热流预示结果和RANS计算结果的相对误差均小于5%。同时,以双椭球上表面中心线热流预示为例,对比传统POD降阶方法,发现该模型的预示精度更高,外推状态下预示精度较POD方法提升了4倍以上。

高超声速飞行器气动力/热参数辨识研究综述

飞行器气动力和气动热参数辨识是高超声速飞行器设计的关键技术之一。笔者对高超声速飞行器的气动力和气动热参数辨识技术进行了综述。介绍了飞行器气动力、气动热参数辨识的基本原理与主要方法,气动力、气动热参数辨识技术在高超声速飞行器研发中的应用情况与发展趋势。同时也简要介绍了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)在气动力和气动热参数辨识研究方面的研究概况。

基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究

新一代高超声速飞行器的发展给防热设计问题带来严峻挑战。根据飞行器热环境多场耦合特性,提出了一种基于多场耦合的热环境数值分析策略,并在此基础上发展了基于Navier-Stokes方程的流场CFD分析程序,通过有效的界面数据传递算法,实现了与结构有限元热分析软件的耦合,形成了基于流场与结构耦合传热的飞行器热环境多场耦合数值分析方法。以典型圆管前缘为计算模型进行了程序验证,并对稳态和非稳态飞行环境下的流场与结构耦合传热特征和规律进行了数值分析研究。结果分析表明,该方法能够有效地刻画流场与结构之间的耦合传热特征和规律,预测和分析飞行器热环境的空间和时间分布特性,从而可为防热设计的选材和优化提供可靠的参考依据和分析手段。

基于POD方法的复杂外形飞行器热环境快速预测方法

使用CFD数值方法获得三维热环境数据库,利用本征正交分解对CFD数据库进行降阶处理,结合相应的基系数插值方法,快速预测出未知状态下满足精度要求的表面热环境参数。以Hermes外形为研究对象,建立热环境数据库,使用本文提出的方法预测未知来流状态下模型表面热流,并和CFD结果进行对比。结果表明,该方法可大幅提高计算效率,不损失预测精度。分析了数据库包络性对重构精度的影响。实现了沿给定弹道的三维热环境快速预测。该方法能够反映真实的热流空间分布特征,快速获得精确的激波干扰区热流,有力地弥补了工程算法的不足。

模型烧蚀对尾迹电子特性影响的计算和实验研究

基于气动物理研究的需要,针对高焓风洞的来流特点,采用计算和实验相结合的方法研究聚丙烯烧蚀对尾迹电子密度的影响。结果表明:计算结果可以有效模拟实验状态,电子密度的模拟精度有很大提高,误差在一个量级内;聚丙烯烧蚀可以降低尾迹的电子密度,但幅度不大,在2倍左右,其与选择模型材料的催化特性降低幅度相当;对电弧风洞的成功改进和非稀薄流静电探针诊断技术的应用,是尾迹电子密度测试的前提保障。

JF12长实验时间激波风洞10°尖锥气动力实验研究

介绍了在中国科学院力学研究所JF12长实验时间激波风洞上开展的10°尖锥标模的天平测力实验研究结果.JF12激波风洞的实验时间为100~130 ms,名义Mach数为7.0,喷管出口直径为2.5 m,总焓为2.5 MJ/kg,复现了35 km高空的飞行条件.采用六分量应变天平,攻角分别为-5,0,5,10和14°,模型长度为1.5 m,质量为50 kg.实验结果表明,在100~130 ms的实验时间里,应变天平的输出信号含有3~4个完整周期,可以通过对天平的输出信号进行平均直接获得气动力/矩测量结果,而不再需要进行加速度补偿,且气动力系数重复测量的不确定度小于2%.JF12激波风洞气动力系数的测量结果与传统高超声速风洞的结果符合得较好,表明在2.5 MJ/kg的总焓下,真实气体效应对该模型气动力特性的影响不明显.

高超声速小钝锥尾流化学非平衡辐射研究

本文主要目的是研究化学非平衡对高超声速小钝锥尾流辐射的影响。计算结果表明：激发发射辐射比化学发光辐射重要，红外辐射比可见光辐射重要。结果还表明：由化学非平衡瞬时辐射模型计算求得的ＮＯ５．３μ的辐射能比由局部平衡辐射模型求得的辐射能大３０～７０％。由此可知，小钝锥尾流的化学非平衡辐射模型对辐射的影响是不能忽略的。

11组元轴对称热化学非平衡流场的数值研究

本文从轴对称热化学非平衡Ｎ－ Ｓ方程出发，采用双温度、十一组元反应气体模型，利用隐式ＮＮＤ有限差分格式和时间预处理技术数值求解了ＦＩＲＥＩＩ飞船热化学非平衡流场。文中同时给出了七组元模型的计算结果，并进行了结果比较。

高超声速飞行流场中的最大氧离解度分析

针对大气层内高超声速飞行时的化学非平衡现象,建立了沿驻点线流动的空气中氧离解度的计算模型.模型假设氮气在氧气未充分离解时不发生离解,并且不涉及边界层内的复合反应.理论计算发现,空气中氧的离解度随飞行高度的增加呈先增后减的非单调变化规律,其原因是由于化学反应平衡移动与非平衡效应相互作用的结果.这一结论得到了数值模拟结果的验证,同时也解释了文献中当飞行高度较高时真实气体效应减弱的现象.基于驻点线的近似理论模型,计算得到了轴对称钝头体绕流流场中的最大氧离解度及边界层外缘温度随飞行速度和高度变化的等值线图谱,相关结果可以为工程设计所用.

高超声速飞行器气动热环境的化学非平衡效应数值研究（英文）

针对高超声速飞行器气动热环境的化学非平衡效应进行数值模拟.首先以二维圆柱钝体为模型,采用三种气体模型比较和分析化学非平衡效应对气动特性和气动加热特性的影响;接着以三维球头钝体为模型,进一步分析化学非平衡效应及壁面催化特性对气动加热特性的影响.分析表明,化学非平衡效应对压力分布的影响不大;但它能显著缩短激波脱体距离,更重要的是,能大幅降低波后温度,对飞行器气动热环境产生深远影响.另外,壁面催化特性对传热也有较大的影响,对壁面材料催化进程的有效控制可以大幅降低壁面传热.

高超声速风洞热化学非平衡流场辐射谱的数值计算

以轴对称的热化学非平衡N -S方程为控制方程 ,采用双温度 11组元反应气体模型 ,数值求解高超声速热化学非平衡流场。在此基础上 ,采用“线—线”精细辐射模型计算流场的辐射谱特性 ,在 0 15～ 2 μm区间计算了40 0 0 0个光谱分布点处的辐射发射、吸收系数 ,得到了高焓风洞实验条件下的流场辐射光谱分布及该条件下主要辐射组元NO的辐射光谱分布。计算表明 。

时间发展可压化学反应混合层直接数值模拟

基于一个简化的单步不可逆燃烧动力学模型，对时间发展二维可压化学反应平面混合流场，实现了高精度迎风紧致有限差分直接数值模拟。研究了化学反应放热与流体混合运动间的耦合作用，分析了前者对可压混合层厚度、拟序结构及产物生成率等方面的影响。

小不对称烧蚀外形的典型化处理方法

给出了一种能够适用于统计分析飞行器再入大气层时，头部烧蚀而产生不对称形变过程的数学模型[1]。烧蚀外形采用典型化处理方法。通过对美国NRV样例的试算表明，头部形变的主要参量与实测数据符合较好。

化学非平衡边界层壁面边界条件研究

通过理论分析导出了化学非平衡边界层，化学反应壁面边界条件的一般性提法，并对其具体应用进行了研究．在壁面完全催化时，可利用传递系数法使烧蚀壁面条件计算与边界层计算解耦，给出了一般计算方法．

再入飞行器化学非平衡流动的隐式向量算法研究

在YH－2计算机上对再入飞行器化学非平衡流流场的NND隐式程序进行向量化计算，在对程序作了重构优化后，向量加速比达3．4。这是对化学非平衡流N－S方程隐式程序进行向量化计算的成功尝试，也为进一步实现程序的并行执行奠定了良好的基础。

有化学反应的气体的非平衡数值模拟

利用三温度动态模型，对具有化学反应的强正激波后的高温气体的非平衡流动进行了数值模拟，在较宽的马赫数范围内（６～２６），计算出了各种气动参数及气体组分在非平衡区随时间的变化历程，并与有关文献进行了比较。

数值模拟高超音速化学非平衡流的隐式格式

针对高超音速化学非平衡流提出了两种隐式格式．一种是近似因子分解算法对角化形式在隐式ＴＶＤ（全变差递减）格式上的推广，另一种可视为隐式ＴＶＤ格式的ＬＵ分解形式．数值试验表明，本文给出的算法保持了ＴＶＤ格式的高分辨率特性，同时计算量大大减少。

碱金属引射对尾流化学动力学和电子密度的影响

用把碱金属（Na）加入到空气尾流中进行数值模拟的方法,研究了碱金属引射对高超声速尾流化学动力学和电子密度的影响。采用的化学反应模型为包括O2、N2、O、N、NO、NO＋、Na+、Na、O2-及e-的10组元模型。计算结果表明,碱金属引射,使尾流电子数密度增加1～3个量级。计算结果与文献中的数据符合较好。

气动物理地面模拟试验相似律

依据流动子过程特征量分析方法 ,导出了高超声速化学反应流动的相似律。将得到的相似律应用于气动物理地面模拟试验 ,给出了确定地面模拟试验条件的相似准则 ,分析了地面模拟试验中需要进一步解决的其它基础理论问题。