激发跃迁速率对热力学非平衡氮气紫外辐射的影响

基于氮气的碰撞-辐射(CR)模型,计算了速度为6.2km/s、初始压力为133Pa的高超声速流动激波中N_2和N_2^+分子电子能级的分布情况,分析了不同激发跃迁速率模型对电子能级分布及辐射光谱模拟的影响。针对流动中热力学非平衡区域和平衡区域,在300～440nm的辐射光谱开展了逐线法的数值模拟,并与激波管实验测量光谱进行了对比。结果表明,目前的激发跃迁速率均存在偏差,综合Park模型的爱因斯坦系数和Johnston模型的碰撞激发速率可以得到与实验结果最为接近的辐射光谱。

非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射光谱计算及振转温度测量

高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键.本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理,开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法,并在宽温度范围静态环境开展验证.搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证,结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态,并且振动温度和转动温度与微波功率成正比,而热力学非平衡度与微波功率成反比,当微波功率从80W增加至180 W时,等离子体电子数密度增加,中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201±43)K增加至(2452±56)K、转动温度从(382±20)K增加至(535±49)K;而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能,导致振动温度与转动温度的差异降低,等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.

含振动能激发Boltzmann模型方程气体动理论统一算法验证与分析

为模拟研究高温高马赫数下多原子气体内能激发对跨流域非平衡流动的影响,将转动能、振动能分别作为气体分子速度分布函数的自变量,把转动能和振动能处理为连续分布的能量模式,将Boltzmann方程的碰撞项分解成弹性碰撞项和非弹性碰撞项,同时将非弹性碰撞按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛过程和平动-转动-振动能松弛过程,构造了一类考虑振动能激发的Boltzmann模型方程,并证明了其守恒性和H定理.基于内部能量变量对分布函数无穷积分,引入三个约化速度分布函数,得到一组考虑振动能激发的约化速度分布函数控制方程组,使用离散速度坐标法,基于LU-SGS隐式格式和有限体积法求解离散速度分布函数,建立含振动能激发的气体动理论统一算法.通过开展高稀薄流到连续流圆柱绕流问题统一算法与直接模拟蒙特卡罗法模拟结果对比分析,特别是过渡流区平动、转动、振动非平衡效应对绕流流场与物面力热特性的影响机制,证实了所建立的含振动能激发的Boltzmann模型方程及气体动理论统一算法的准确可靠性.

非平衡大气的临边辐射快速计算模型

针对目前的非局地热力学平衡(NLTE)大气辐射传输模型计算速度慢的不足,引入了计算速度快、计算精度较高的带模式算法,并建立了大气的NLTE临边辐射快速计算模型。首先基于分子上下能级布居计算了大气振动温度廓线。然后依据大气的动力学温度、振动温度与配分函数计算了偏离系数和吸收截面因子。最后提出了半球累加方法解算NLTE临边辐射传输方程。计算分析了1976 U.S.大气模式下的大气振动温度与吸收截面因子廓线,并给出了典型切向高度时CO_2 15μm波段在白天的临边辐射亮度。通过基于逐线积分算法的SHARC模型,验证了本模型计算结果的正确性。本模型进行一次NLTE辐射计算仅需耗费数秒,且具有理想的光谱分辨率(1 cm^(-1))。

近空间非规则解体物不同间隔比气动干扰数值分析

针对服役期满航天器再入近空间飞行环境多次解体绕流问题,发展了求解高超声速来流条件下含振动能激发热力学非平衡Navier-Stokes(N-S)方程三维双体解体物绕流问题的数值方法.根据解体物运动分离特点与方位关系,确立了两种不同的解体物双体构型.经高超声速氮气流绕圆柱、钝体计算结果与求解Boltzmann模型方程气体动理论统一算法、风洞试验等比较确认,验证了本文模型算法在求解近空间范围内含振动能激发的多体高超声速绕流问题的可行性和准确性.采用此算法研究了近空间范围内不同飞行攻角、不同间隔比下的双体构型间的气动干扰效应.结果表明,本文所设工况下,当间隔比大于一定值时,解体物之间的相互干扰效应可以忽略.这为气动融合弹道飞行航迹落区数值预报软件研制提供理论设计准则及大量近空间非规则解体物绕流气动干扰数据库.