高超高焓非平衡流动数值模拟方法研究综述.pdf
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1、研究综述力展进学2023年9 月第3 期第53 卷高超高烩非平衡流动数值模拟方法研究综述高振勋*蒋崇文李椿萱北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京10 0 19 1摘要高性能计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)模拟可以与高超飞行试验、高恰地面设备实验研究相互印证,在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用.本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方面的进展,概述了相关热化学模型、数值格式研究以及CFD软件研制方面的现状和发展趋势,最后指出了今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题.(1)在热化学模型方面,常
2、用温度模型并不完全精确,多振动温度模型具有发展潜力但工程应用受限,态-态模型更精确但模拟技术尚不成熟,更为精确的热力学输运模型、有限速率化学反应模型、振动-离解耦合模型以及表面效应模型等是提升热化学非平衡模拟精度的重要物理模型,值得深入研究;(2)在数值方法方面,多物理场耦合模拟是高超热化学非平衡流动CFD研究的热点和趋势,对CFD方法的鲁棒性和收敛性提出了更高的要求,值得重点关注和研究,此外常用数值格式需要针对热化学非平衡流动特征进行适应性改造,RANS方法在热化学非平衡流模拟中的计算可靠性仍有待验证;(3)在数值软件方面,基于结构/非结构混合网格的数值求解器更加符合工业应用需求,未来高超数
3、值软件需要具备稳定、鲁棒的多学科、多物理场耦合求解功能,且能够适应更大网格规模大尺度复杂外形的模拟需求;(4)可综合应用多种加速技术手段提升热化学非平衡流动数值模拟的计算效率,计算刚性是热化学非平衡流动数值模拟方法研究的共性基础问题,刚性消除方法仍需进一步研究和发展.关键词高超声速,热化学非平衡,高恰,计算流体力学(CFD),计算刚性中图分类号:0 3文献标识码:AD0I:10.6052/1000-0992-22-051收稿日期:2 0 2 2-12-2 0;录用日期:2 0 2 3-0 4-2 7;在线出版日期:2 0 2 3-0 4-2 8E-mail:引用方式:高振勋,蒋崇文,李椿萱.高
4、超高恰非平衡流动数值模拟方法研究综述.力学进展,2 0 2 3,53(3):56 1-59 1Gao Z X,Jiang C W,Li C X.Review of numerical simulation methods for hypersonic and high-en-thalpy non-equilibrium flow.Advances in Mechanics,2023,53(3):561-5912 0 2 3力学进展版权所有力56220238年展学第53 卷进1引言临近空间飞行器在高超声速(Ma5)飞行条件下,在绕流中产生激波后空气温度急剧升高,驻点区域温度一般可以达到几千开甚至
5、更高.在这一流动过程中,空气在高温条件下将出现一系列复杂的热化学现象,例如分子的内能模态被激发以及发生离解、交换、复合、电离等化学反应,使热力学性质发生显著改变,呈现非完全气体性质,Anderson(2 0 0 6)称之为高温气体效应或真实气体效应.由于上述热力学内能激发与化学反应过程伴随高速流动进行,存在耦合相互作用,且各能量模态松弛、化学反应与流动的特征时间尺度通常相近可比(Kane&Peetala2022),根据Damkohler数定义往往处于非平衡条件,因此文献中也称这种高温气体效应下的流动耦合关系为热化学非平衡效应(董维中19 9 6,王京盈2 0 17,郝佳傲2 0 18).热化学
6、平衡、热化学非平衡和冻结三种状态在高超绕流流场中往往同时存在,但很难严格区分,研究中普遍将平衡和冻结流视为非平衡流动的两种极限状态,并采用热化学非平衡流动统一描述全流域流动状态(李海燕2 0 0 7,丁明松2 0 19).高温气体热化学非平衡效应是高超飞行器绕流和高恰地面风洞实验流动(李海燕2 0 0 7,曾明等2 0 0 6,姚轩宇等2 0 19,Shangetal.2020)的典型特征,对高超声速飞行器气动性能会产生重要影响,主要体现在4个方面(丁明松2 0 19,莫凡等2 0 2 1):(1)高温下非完全气体性质使流场中的激波形状、分离区大小等流动性状发生改变,进而改变了力、力矩等气动力
7、特性,对飞行器气动布局操控设计产生重要影响;(2)分子热力学内能模态的激发与松弛以及化学反应使流场中的温度、能量分布发生改变,从而影响飞行器的气动热环境,催化复合等放热反应加剧了飞行器表面的受热情况,对飞行器的热防护和结构安全设计提出考验;(3)高温下大量粒子电离反应产生的离子和电子,在飞行器绕流中形成等离子体鞘套,使飞行器绕流流场的电磁传输特性受到影响,对飞行器的无线电通信产生屏蔽作用,导致通信黑障;(4)高温下粒子的能级跃迁产生光子辐射,使飞行器绕流环境的光学特性发生改变,严重的光辐射可以进一步加剧飞行器表面的受热情况.因此,准确预测高超声速飞行器的热化学非平衡流动特征及其相关的气动力特性
8、、气动热环境、气动物理特性等,是开展飞行器气动布局操控、气动热防护、电磁通信设计等的关键基础研究(丁明松2 0 19)目前,高超飞行试验、高地面设备实验以及CFD数值模拟是研究热化学非平衡效应的主要手段.为检验不同高烩地面设备的测试性能以及开展天地关联性研究,欧洲宇航局于19 7 1年和19 7 3年两次开展了Electre球钝锥标准模型的飞行试验(Muylaertetal.1992).为研究高超声速飞行器再入过程的通信“黑障”问题,美国国家航天局(NationalAeronautics SpaceAdministra-tion,NA SA)兰利研究中心进行了RAM-C系列飞行试验(Grant
9、bam1970,Jones&Cross1972).为支持月球、火星等深空探测活动的星座计划,美国航空航天学会(AmericaInstitute of Aero-nautics and Astronautics,A IA A)开展了Orion和FIRE-II等CEV系列飞行试验(MacLean et al.2008,Hashetal.2007,M a c Le a n e t a l.2 0 15).此外,美国进行了多次航天飞机飞行试验活动,完成了STS-1,STS-2,STS-3,STS-5等高超声速气动力和气动热相关的技术验证试验(Zoby1983a,1983b;Sc o t t 19 8
10、5).其他著名的飞行试验还有欧洲宇航局的EXPERT飞行试验(Morsaetal.563高振勋,蒋崇高超高非平衡流动数值模拟方法研究综述第3 期2014)、日本HOPE计划的OREX飞行试验((Guptaetal.1996,Vl a s o v&G o r s h k o v 2 0 0 1)等.这些飞行试验为开展热化学非平衡效应相关的气动热力学问题研究提供了宝贵的试验数据支撑,推进了航空航天科学技术的极大发展.能够开展高超声速热化学非平衡效应研究的主要高恰地面设备(王京盈2 0 17)有美国NASA兰利研究中心的T5自由活塞激波风洞(Maus etal.1992)、美国卡尔斯潘大学布法罗研究
11、中心的LENS系列膨胀反射激波风洞(MacLean etal.2008,M a c Le a n e t a l.2 0 15)、法国宇航局的F4电弧加热风洞(Muylaertet al.1992)、德国宇航局的HEG自由活塞激波风洞(Han-nemann2003)、俄罗斯的Y-12激波风洞(Reynier2016)、日本的HIEST自由活塞激波风洞(Ishiharaetal.2016),以及中国科学院力学研究所的JF10和F12爆轰驱动激波风洞(姚轩宇等2019,唐志共,许晓斌等2 0 15)等.高恰地面测试设备的建立为开展高超声速飞行器研制及发展相关技术提供了可靠验证,其提供的测量数据被广
12、泛应用于飞行试验、数值方法的验证考核.高超声速飞行试验风险较大,成本很高,数据较少,例如美国的X-51项目,2 0 0 5年至2 0 13年共进行了4次飞行试验,耗费近3.4亿美元,却仅成功试飞2 次(Cummings2022).相对而言,风洞实验可重复,成本较低,能够获取大量测量数据,因此被广泛采用.但是受运行成本和技术条件的制约,高恰测试设备的尺寸很难做大,有效运行时间也较短,无法完全复现真实飞行条件下的所有高超声速飞行状态,流场分析也存在一定的局限性(王京盈2 0 17).因此,CFD数值模拟方法成了继飞行试验测试、风洞实验测量的重要补充手段,可以与之相互印证(王京盈2 0 17).美国
13、空军学院于2 0 18 年组建了“高超声速飞行器仿真研究所”,针对高超声速飞行器模拟研究中的诸多不足,联合相关科研机构研究提升数值模拟软硬件的能力,由此可见美国对高超声速飞行器相关CFD数值模拟技术的重视(Cummings2022).随着高性能计算机的快速发展,以及计算流体力学方法的应用成熟,CFD数值模拟在高超声速飞行器及其相关技术预研中的作用日益突出,甚至可以取代风洞实验开展某些有关高超声速物理现象的研究,例如有研究比较了地面风洞实验与CFD数值模拟对各类高超声速飞行物理现象的预示能力,结果显示CFD数值模拟在热化学非平衡效应研究方面具有更好的优势(Hirschel2005,王京盈2 0
14、17).随着任务要求提高,速度域、高度范围等飞行包线极度增大,高超飞行器绕流条件更加极端、物理现象愈加复杂,现有的高超飞行试验、高地面设备实验技术已无法满足下一代新型高超飞行器设计研制的需求,数值模拟技术在高超热化学非平衡相关研究中将发挥更重要的作用和更大的价值(唐志共,张益荣等2 0 15).本文从热化学模型、数值格式、数值模拟软件等方面分别详细介绍国内外在热化学非平衡流动CFD方法研究方面的进展,最后从现状出发总结和讨论今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题,2热化学模型研究进展热化学模型是热化学非平衡流动控制方程建模的物理基础,对正确描述流动过程中的物理机理和提高非平衡流
15、动的模拟精度具有重要意义.下文从控制方程建模过程中涉及的热力学温度模型、热力学参数模型、化学动力学模型及表面效应模型4个方面进行介绍.564力2023年展第53 卷进学2.1热力学温度模型选取合适的热力学温度模型对精确预测飞行器的气动热环境至关重要.常用的热力学温度模型包括一温度模型、两温度模型以及三温度模型.此外,还有更加复杂的多振动温度模型(王源杰2 0 16)和态-态模型(徐丹等2 0 14).图1展示了高超飞行器在不同高度和速度条件下驻点区流动的空气热化学状态以及高温空气发生典型化学反应的规律特点(Anderson2006,G u p t a e t a l.19 9 0).一般而言,
16、一温度模型常用于模拟化学非平衡流动,如燃烧性质的化学反应流动、高度较低(空气较稠密)的高超飞行绕流等.两温度模型常用于模拟热化学非平衡流动,如高度较高(空气较稀薄)的高超飞行绕流、火星大气再入绕流(CO2第一振动能级特征温度低、火星大气相对稀薄)(刘庆宗2 0 16)等.三温度模型常用于模拟电离反应显著、辐射效应较强的热化学非平衡流动,例如飞行速度达到第二宇宙速度及以上的高超飞行绕流(王京盈2 0 17,郝佳傲2 0 18)等.然而,影响流动热化学状态的因素很多,除飞行速度、高度以外,还包括飞行器几何尺度、流场压强、温度等,因此实际模拟中还须依据流动特点进行合理近似,采取对应的热力学温度模型。
17、目前应用最广的是Park两温度模型,该方法在数值模拟中取得了很大的成功,但在模拟某些高超流动现象时无法得出合理的计算结果,如高超声速激波脱体距离等.图2 显示了不同温度模型对EXPERT热化学非平衡绕流的影响(王源杰2 0 16).不少研究学者认为一个振动温度的假设并不十分合理,因为不同类型分子振动能激发时的特征温度不同,对化学反应速率的影响也应区别对待,为此提出了更为复杂的多振动温度模型和态-态模型,多振动温度模型(徐丹等2014)常用于模拟高恰风洞设备试验段的高超声速流动,以便考察不同分子振动能冻结对模型气动特性的影响.该方法在描述化学反应机理时仍然存在局限性,其暗含振动能级分布满足振动温
18、度下Boltzmann分布假设,这个假设是否合理需要进一步研究.同时,随着混合气体组元个数增加,计算量呈倍数增长,对计算资源要求较高,现阶段在工程型号任务中应用有限.态-态模型在多振动温度模型的基础上进一步细化,将位于不同振动能级上的分子视为不同组元进行研究该方法在理论上展现出诸多优点,但各种内能模式能级间的跃迁过程十分复杂,因此还无法实现态一态模型与多维流场程序的耦合计算.目前,态-态模型研究主要集中在不涉及流动的零维问题,或是正激波后、边界层和准一维喷管非平衡流动问题,相关模拟技术尚不成熟(徐丹等2 0 14).2.2热力学参数模型高温气体的热力学参数、输运系数等是热化学非平衡气动热问题研
19、究的重要参数(刘庆宗2016,Ca n d l e r 2 0 19).在热化学非平衡条件下,通常采用Dalton分压定理描述高温气体的状态方程,即混合气体中每个粒子的压强、温度和密度仍满足完全气体状态方程.对于一温度模型或者化学非平衡模型,混合气体中粒子的内能、烩、比热等关键参数一般采用分段拟合多项式方法计算,最常用的便是Chemkin模型(Guptaetal.1990,Kee1996),以及针对火星大气的ESA数据模型(Capitelli etal.2005)等.对于两温度模型及其他多温度模型,通常基于Born-Oppen-heimer近似分解和统计热力学方法计算相关温度模态的能量项,基于
20、所有能量模态平衡的假设,一温度模型也可以采用这种方法计算内能等热力学参数.565高振勋,蒋崇文高超高烩非平衡流动数值模拟方法研究综述第3期aIV11组分b115组分120I17组分组分N2,O2,N,O,NO,N2+2N2,O2,NN2,O2,N,O,NO,NO+,1OLN+,O+,NO+,eN2O2ONO1激波/壁面电离范围典型上o-o+e-1化学、滑移效应390N-N+e-升轨迹1热非平衡N2完全离解个9000KuX/H1开始电离振动能60激发发典型再化学非平衡离解范围N22N入轨迹壁面热辐射主导完全流峰值&热平衡4000KN2开始离解气体O2几乎完全离解1300220花学O2开始离解氧气
21、、二次电离2500K氮气离解电离热平衡无化学反应800K振动激发OK03691215U/(kms-1)高超飞行器不同高度和速度条件下驻点区空气热化学状态标准大气压下高温空气化学反应温度范围图1不同高度和速度条件下驻点区空气热化学状态以及典型化学反应对应的温度范围(Anderson2006,Gupta et al.1990)ab多温度(No-Pref.Diss)多温度振动温度(Park)Park两温度模型催化跳跃头部区域平动温度分布云图头部区域原子氧分布云图图2不同温度模型对EXPERT热化学非平衡绕流的影响(王源杰2 0 16)目前,高温真实气体的输运模型可分为碰撞积分方法和拟合近似方法两类(
22、郝佳傲2 0 18)碰撞积分方法(或SCEBD模型方法)物理机制清晰,但计算相对复杂,因此基于统计学方法和数学拟合方法的近似计算式应用广泛.单个粒子黏性系数的常用近似方法有Sutherland公式(李海燕2 0 0 7)、Blottner拟合式(3系数(Gupta etal.1990)和5系数(董维中19 9 6)两种)Lennard-Jones模型公式及其简化式(Gupta etal.1990)等;单个粒子热导系数的近似方法有Eu-cken经验式(王京盈2 0 17,郝佳傲2 0 18)、Gupta拟合式(Guptaetal.1990)等;单个粒子扩散系数的近似方法包含基于Lewis数的双极
23、性扩散近似模型(董海波2 0 18)、基于Schmidt数的双极性扩散近似模型(王京盈2 0 17)等.在求得单个粒子的输运系数之后,混合气体的输运系数则采用Wilke混合律或Gupta-Yos混合律(Adhikarietal.2022)加权计算,Gupta-Yos方法被认为在高温条件下比Wilke方法更为精确最后,在碰撞积分模型中,扩散碰撞积分元2,-1)、粘性碰撞积分元,2)等关键参数也采用拟合公式(Hashet al.2007,Gupta et al.1990)计算,碰撞积分参力566展学2023年第53 卷进数是实验和数值研究的重要参数,在更高温度条件下,需要构建更为精确的计算模型(C
24、andler2015).此外,振动能量(或电子能量)松弛过程是热力学模型的重要研究内容.在热化学非平衡流动的许多CFD研究中,电子能模态激发通常被忽略,振动能激发以及振动-离解耦合效应通常被认为是最重要的物理现象(Candler 2019).目前,平动-振动能量松弛过程通常采用Landau-Tell-er模型计算,其中振动松弛时间主要采用Millikan-White关系式及Park高温修正式计算(Hashetal.2007)针对不同粒子碰撞对给出了多种修正系数.当计及电子能量模态激发时,受制于实验数据,目前仅考虑氮气分子的振动-电子能量松弛过程(郝佳傲2 0 18).各能量模态之间的松弛速率是
25、热力学建模的关键基础问题,需要得到更多的实验支持和验证,是今后的重要研究方向(Candler 2019).2.3化学动力学模型化学动力学模型直接影响高超声速流动中混合气体热力学性质、组元构成、温度/能量分布等,是高超飞行器气动热环境精准预测的关键模型,其中化学反应方程和化学反应速率系数是化学动力学模型研究的主要方向.常用的地球空气化学动力学模型有Gupta等的11组元2 0 反应方程模型(Gupta etal.1990)、Dunn和Kang的11组元2 6 反应方程模型(Dunn&Kang1973)、Pa r k 的系列化学反应模型(包括Park 1985/1990/2001等)(Dunn&K
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