本文關(guān)鍵詞：高溫非平衡效應(yīng)下的激波干擾與激波反射

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【摘要】：高超聲速飛行器再入大氣層時,氣流穿過其周圍的激波產(chǎn)生極高的溫度,從而引發(fā)氣體多模式內(nèi)能激發(fā)、離解電離等物理化學(xué)現(xiàn)象。在高空低密度下,物理化學(xué)過程常處于非平衡弛豫狀態(tài),分子多內(nèi)能模式之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)換,氣體組分也因化學(xué)反應(yīng)不斷改變,致使高溫區(qū)域流場和氣流特性不均勻,這些現(xiàn)象稱之為高溫?zé)峄瘜W(xué)非平衡效應(yīng)。非平衡效應(yīng)改變氣體和流場特性、激波位置和形狀、邊界層分離區(qū)大小,對飛行器的氣動力熱特性有著很大的影響。激波/激波干擾和激波反射是高超聲速飛行器內(nèi)外流研究比較常見的兩個基本物理問題,但現(xiàn)有的大量研究主要基于完全氣體模型,而對于考慮高溫非平衡效應(yīng)的研究較少。本文將圍繞激波/激波干擾和激波反射問題展開研究,著重考察高溫非平衡效應(yīng)對激波干擾類型轉(zhuǎn)換和激波反射遲滯現(xiàn)象的影響。 本文首先介紹了描述熱化學(xué)非平衡效應(yīng)的各種物理模型,其中熱力學(xué)模型包括多種內(nèi)能模式以及各種狀態(tài)物理量的表征,不同內(nèi)能模式之間能量轉(zhuǎn)換弛豫方程,混合氣體的輸運特性；化學(xué)動力學(xué)模型包括化學(xué)反應(yīng)速率系數(shù),離解振動耦合模型以及組分質(zhì)量生成率。將熱化學(xué)非平衡模型與流動方程耦合形成考慮非平衡效應(yīng)的控制方程,并發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值方法。利用發(fā)展的計算程序,對不同構(gòu)型的幾何體繞流進(jìn)行數(shù)值模擬。幾何構(gòu)型包括了圓柱、圓球以及壓縮拐角,來流包含不同的來流組分、不同范圍的高馬赫數(shù)。計算考慮了無粘、粘性等溫以及粘性絕熱條件,計算結(jié)果包括了脫體激波距離、滯止線物理量分布、壁面壓力、壁面熱流、壁面摩擦力、邊界層厚度以及邊界層分離區(qū)。與已有的實驗以及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),數(shù)值程序能夠較好地捕捉激波形狀,并能有效地模擬非平衡弛豫過程,對粘性相關(guān)的流場物理量也能得到較為可靠的結(jié)果。 其次建立激波干擾和激波反射的理論分析工具。將氣流通過激波分為凍結(jié)過程和非平衡弛豫過程,考察一維正激波之后的弛豫過程,引入一個物理量—非平衡弛豫距離δneq,建立正激波后物理量函數(shù)關(guān)系式,并將其擴(kuò)展到斜激波。將膨脹扇分割為一系列的無窮小等熵準(zhǔn)定常膨脹過程,通過數(shù)值積分建立膨脹波前后物理量函數(shù)關(guān)系式。參照量熱完全氣體模型下的激波極線,將建立的激波膨脹波函數(shù)關(guān)系式形成非平衡流動激波極線圖,并給出表征非平衡弛豫效應(yīng)的物理量δneq的取值基本原則。 然后利用已經(jīng)發(fā)展的數(shù)值程序和理論分析工具,對高超聲速雙楔繞流激波干擾類型Ⅵ和Ⅴ及其相互轉(zhuǎn)換條件(雙楔的第二傾斜角θ2)進(jìn)行研究�？疾烀總�激波后的氣體到達(dá)平衡態(tài)所需的平衡弛豫長度,給出每個激波后的區(qū)域合適的非平衡弛豫距離δneq,并利用非平衡流動激波極線方法,理論分析給出不同馬赫數(shù)下激波干擾類型Ⅵ和Ⅴ的臨界轉(zhuǎn)換角。將理論得到的結(jié)果作為數(shù)值計算初始角度選取參考,模擬類型Ⅵ到Ⅴ的完整轉(zhuǎn)換過程,得到完整轉(zhuǎn)換過程的臨界轉(zhuǎn)換角區(qū)間。將數(shù)值與理論相對比,重點對比了M0=11時的流場壓力值、波系結(jié)構(gòu)以及波系轉(zhuǎn)換臨界條件。對比發(fā)現(xiàn),利用非平衡流動激波極線方法得到的臨界條件和局部壓力值與計算結(jié)果比較吻合,并且非平衡激波極線能夠預(yù)測在固定幾何條件下的波系結(jié)構(gòu)。由此說明發(fā)展的非平衡極線分析方法是可靠的,給定的非平衡弛豫距離選取也是合理的。對比量熱完全氣體和非平衡氣體,兩種模型得到的結(jié)果差異比較明顯,非平衡效應(yīng)使得臨界轉(zhuǎn)換角增大,且臨界角隨著馬赫數(shù)增大而增大。對于量熱完全氣體,隨著馬赫數(shù)增大,臨界轉(zhuǎn)換角是減小的。在整個馬赫數(shù)區(qū)間7M018內(nèi),量熱完全氣體模型得到的臨界角隨馬赫數(shù)的變化幅度很小,但非平衡氣體模型得到的臨界角變化幅度接近4°。雖然非平衡效應(yīng)增大了臨界轉(zhuǎn)換角,但類型Ⅵ到Ⅴ的完整轉(zhuǎn)換過程所需的臨界角區(qū)間在不同馬赫數(shù)下基本保持一致。 最后對考慮非平衡效應(yīng)下的定常激波規(guī)則反射和馬赫反射遲滯效應(yīng)進(jìn)行了初步的理論和數(shù)值研究。理論和計算結(jié)果均表明,非平衡效應(yīng)使得平衡條件對應(yīng)的臨界角θN和脫體條件對應(yīng)的臨界角θD均增大。其中θN的變化量很小,θD變化幅度較大,整個遲滯角度區(qū)間呈增大趨勢。數(shù)值計算過程與理論分析方法為激波反射問題進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：熱化學(xué)非平衡效應(yīng) 數(shù)值模擬 激波極線 雙楔繞流 激波干擾 激波反射
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V419
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目錄10-13
• 插圖索引13-17
• 主要符號對照表17-19
• 第一章 緒論19-29
• 1.1 高溫非平衡效應(yīng)的概念19-20
• 1.2 高溫非平衡效應(yīng)研究的意義20-22
• 1.3 高溫非平衡流動的研究現(xiàn)狀22-27
• 1.3.1 熱化學(xué)非平衡流的數(shù)值研究22-23
• 1.3.2 激波極線方法23
• 1.3.3 高超聲速飛行中的主要物理現(xiàn)象23-27
• 1.4 本文內(nèi)容安排27-29
• 第二章 熱化學(xué)非平衡物理模型29-45
• 2.1 控制方程29-31
• 2.2 熱力學(xué)模型31-37
• 2.2.1 不同內(nèi)能模式表達(dá)式31-33
• 2.2.2 振動松弛方程33-34
• 2.2.3 混合氣體特性34-35
• 2.2.4 輸運模型35-37
• 2.3 化學(xué)動力學(xué)模型37-43
• 2.3.1 質(zhì)量生成速率37-38
• 2.3.2 化學(xué)反應(yīng)速率系數(shù)38-40
• 2.3.3 振動離解耦合模型40-43
• 2.4 本章小結(jié)43-45
• 第三章 數(shù)值方法及驗證45-71
• 3.1 網(wǎng)格信息46-47
• 3.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)46-47
• 3.1.2 網(wǎng)格自適應(yīng)47
• 3.2 方程的離散求解47-48
• 3.3 流場計算方法48-52
• 3.3.1 梯度計算49-50
• 3.3.2 重構(gòu)和預(yù)估步50
• 3.3.3 通量計算50-52
• 3.4 非平衡源項計算52-54
• 3.4.1 邊界條件52-54
• 3.5 收斂性判斷54
• 3.6 程序結(jié)構(gòu)以及OpenMP并行54-55
• 3.7 數(shù)值程序驗證算例55-69
• 3.7.1 氮氣繞圓柱流動56-60
• 3.7.2 五組分空氣繞圓柱流動60-62
• 3.7.3 三維球頭體繞流62-67
• 3.7.4 壓縮拐角繞流67-69
• 3.8 本章小結(jié)69-71
• 第四章 非平衡激波極線方法71-89
• 4.1 正激波后的非平衡流動71-72
• 4.2 一維定常非平衡弛豫過程控制方程72-74
• 4.3 一維正激波后弛豫區(qū)間的物理量分布74-77
• 4.4 正激波前后物理量關(guān)系式77-79
• 4.5 斜激波前后物理量關(guān)系式79-82
• 4.6 膨脹波關(guān)系式82-83
• 4.7 激波極線方法83-85
• 4.8 本章小結(jié)85-89
• 第五章 高超聲速雙楔繞流激波干擾89-105
• 5.1 激波/激波干擾類型89-91
• 5.1.1 雙楔繞流激波干擾類型Ⅵ和Ⅴ的波系結(jié)構(gòu)91
• 5.2 非平衡效應(yīng)對雙楔繞流激波干擾類型Ⅵ和Ⅴ的轉(zhuǎn)換的影響91-102
• 5.2.1 理論分析92-97
• 5.2.2 數(shù)值模擬97-102
• 5.3 本章小結(jié)102-105
• 第六章 定常激波規(guī)則反射和馬赫反射的遲滯現(xiàn)象105-115
• 6.1 規(guī)則反射和馬赫反射的遲滯效應(yīng)105-107
• 6.2 非平衡效應(yīng)對遲滯區(qū)間的影響107-114
• 6.2.1 數(shù)值求解方法及過程描述107-109
• 6.2.2 RR(?)MR,量熱完全氣體109-112
• 6.2.3 RR(?)MR,非平衡氣體112-114
• 6.3 本章小結(jié)114-115
• 第七章 結(jié)論與展望115-119
• 7.1 主要結(jié)論115-117
• 7.2 工作展望117-119
• 參考文獻(xiàn)119-125
• 附錄A 物理化學(xué)模型中的常數(shù)125-127
• 附錄B 高溫空氣平衡組分計算127-129
• 附錄C 平衡流膨脹波控制方程的求解129-131
• 致謝131-133
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果133

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 Tokitada Hashimoto;;Experimental investigation of hypersonic flow induced separation over double wedges[J];Journal of Thermal Science;2009年03期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 潘沙;高超聲速氣動熱數(shù)值模擬方法及大規(guī)模并行計算研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

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本文編號：914803