壁面催化条件对热环境预测的影响

基于高超声速飞行器热流精确预测的需要,文章采用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中壁面催化条件对热环境的影响。针对RAM-CII气动外形,使用AUSM+-up格式耦合LU-SGS方法求解带化学反应源项的多组分NS方程。得到如下结论:有限催化壁结果介于完全催化壁以及非催化壁之间;壁面催化特性的差异主要体现在热流的组分扩散项部分,因此可以通过评估完全催化壁时组分扩散项所占比率大小来预测壁面热流准确值。

高超声速流动壁面催化复合气动加热特性

针对高超声速流动壁面催化特性,计算了不同壁面催化复合系数条件下的球锥驻点热环境。引入了经验证的数值求解Navier-Stokes方程的方法,在不同壁温500K～2500K的条件下分别分析了O2和N2气体在壁面处的催化复合气动加热特性,得到如下结论:(1)原子复合放热将提高近壁面温度梯度,改变近壁面组分分布;原子复合放热一部分加热飞行器形成组分扩散热流,一部分加热近壁气体提高近壁温度梯度。(2)在壁面催化复合系数较小时,原子复合放热主要转化为组分扩散加热,对于不同壁面温度,壁面催化复合系数α<0.1时,单一气体反应组分扩散热流小于总热流的20%。

来流条件对热流组分扩散项影响效应分析

使用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中不同来流条件对热流组分扩散项的影响。以RAM-CII飞行试验外形为例,使用AUSM+-up格式耦合LU-SGS方法求解带化学反应源项的多组分NS方程。得到如下结论:在非平衡热环境数值模拟研究中,完全催化壁时组分扩散项热流所占比率表征了壁面催化效应的强弱;在同一高度下,随着马赫数升高热流组分扩散项比例越来越显著,而马赫数相同时,随着高度增高热流组分扩散项所占比例越来越小,主要原因在于当地化学反应进行程度不同。

滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

针对滑移流区化学非平衡流中的气动热环境预测问题,采用多组分化学非平衡纳维-斯托克斯(N-S)方程对轨道验证飞行器(OREX)进行数值模拟,对比了有限催化和非催化、滑移和无滑移壁面条件下的气动加热,研究了壁面催化和滑移效应对气动热的影响规律,并分析了影响气动热的主要机制。结果表明:壁面催化和滑移效应均会影响流场物理量分布,高度为92.82 km时对激波脱体距离的影响较为明显;随着高度减小,有限催化与非催化壁面间的热流偏差增大,而滑移与无滑移壁面间的热流偏差减小;高度低于92.82 km时有限催化壁面计算得到的驻点热流值与飞行数据吻合较好,偏差均在11%以内;机制分析发现,催化效应对壁面附近的组分分布影响较大,滑移边界条件中的温度跳跃条件对壁面附近的温度分布影响显著。