高超聲速流動在頭激波壓縮后常處于高溫條件下的熱化學非平衡狀態(tài).本文采用態(tài)-態(tài)方法和雙溫度模型計算分析了一維正激波后和高超聲速鈍體繞流駐點線上的氧氣熱化學非平衡流動.態(tài)-態(tài)方法將氧氣的每個振動能級當成獨立的組分,通過耦合Euler方程或駐點線上的降維Navier-Stokes方程,數值求解得到了高溫流動中的精細熱化學非平衡狀態(tài).而雙溫度模型假設氧氣的振動能級服從B oltzmann分布,通過求解振動能方程得到振動溫度.一維正激波后熱化學松弛過程的計算結果表明,態(tài)-態(tài)計算預測的溫度分布和氧原子濃度分布較好地吻合了文獻中的實驗結果,而經典的雙溫度模型的預測結果誤差較大,且不同雙溫度模型的計算結果比較發(fā)散.態(tài)-態(tài)方法詳細地給出了所有振動能級的變化過程.無論是正激波還是脫體激波后的流場,都是高振動能級首先得到激發(fā);但是數密度大的低振動能級先達到熱平衡,而高能級分子要經過很長距離后才能達到熱平衡.在駐點附近,復合反應生成的氧氣分子處于高振動能級,導致高振動能級分子數密度顯著高于平衡分布.計算還發(fā)現(xiàn),經典雙溫度模型的離解反應速率明顯偏離態(tài)-態(tài)計算結果,無法準確體現(xiàn)振動離解耦合效應對離解反應速率的影響...

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【部分圖文】：

圖2態(tài)-態(tài)方法計算得到的各物理量隨正激波后距離的變化曲線

圖2給出了態(tài)-態(tài)計算得到的激波后各物理量隨松弛距離的變化曲線.值得注意的是，來流氧氣經激波壓縮，氣體平動溫度遠大于振動溫度(振動溫度經激波不變).沿激波波后方向，氧分子通過V-T傳能使得振動溫度上升、平動溫度下降；同時高溫還使得氧分子發(fā)生離解，氧原子質量分數增大，平動溫度進一步下....

圖3激波后不同位置振動能級歸一化數密度分布

為了詳細分析松弛過程中的振動能級分布變化，圖3給出了5個位置的歸一化振動能級的數密度分布.在激波處(x=0)，由于熱化學反應尚未開始，振動能級處于低溫狀態(tài)下的平衡分布.通過激波后，由于振動能遠小于平動能，V-T和V-V-T過程首先發(fā)生.激波后(x=0.09,0.29mm)的流場....

圖1不同模型計算得到的的V-V-T反應速率常數對比

前面已經提到，準經典軌道(QCT)方法能夠給出更精確的基元反應速率常數.文獻中已有O2(i)+O的離解反應、V-T反應以及O2(i)+O2離解反應的反應速率常數QCT計算數據庫[13,28-29].本文綜合FHO模型與QCT結果，得到了高溫O2/O混合物的所有振動態(tài)反應速率常數.....

圖4不同振動能級歸一化數密度在激波后的分布

本文還采用常用的6種雙溫度模型預測熱化學非平衡松弛過程.圖5和圖6分別給出了預測的正激波后溫度和氧原子質量分數結果，其中含態(tài)-態(tài)計算結果、4種基于雙溫度假設的耦合模型計算結果以及文獻[13]中的相關實驗結果.可以看出，態(tài)-態(tài)計算結果與實驗數據符合較好，尤其是氧原子質量分數分布更接....

本文編號：3943347