热化学非平衡模型及其对高超声速飞行器前缘流场的影响研究

【作者】 张启航； 陈松；

【机构】 北京航空航天大学中法工程师学院/国际通用工程学院；

【摘要】 高超声速飞行器在大气中飞行时,头部激波强烈压缩加热来流,进而激发出空气在分子层面的振动自由度,以及离解、电离等高温非平衡效应。高温气流带来的剧烈气动热与气动阻力严重影响飞行性能,甚至损伤飞行器前缘。因此,准确预测高温非平衡效应对前缘流场的影响对飞行器外形设计、热防护设计十分重要。本文采用五组分空气化学反应模型,研究了内能驰豫和三体复合反应对化学非平衡过程的影响。首先,基于开源SPARTA代码,改进了其内能驰豫和化学反应子程序,对高超声速下化学非平衡流动开展数值模拟,并与文献的结果进行了对比验证。其次,以圆柱绕流为例,本文通过对比完全气体和高温真实气体模型的数值模拟结果,定量分析了高温非平衡效应对前缘流场结构和表面热流的影响。初步结果显示,内能弛豫和化学反应过程相互耦合,不同的热化学模型得到的最终温度和组份分布有较大差异。对于较低飞行高度条件,三体碰撞的概率大幅增加,复合反应的影响不能忽略。本研究表明改进后的SPARTA代码能够高效模拟热化学非平衡过程,是分析高超声速高温流场的有力工具。更多还原