沿驻点线化学非平衡程度评估方法_杨天鹏.pdf
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1、2023年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术(中英文)No.1 2023 总第392期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.392 收稿日期:2022-11-09;修回日期:2022-12-04 文章编号:2097-1974(2023)01-0122-05 DOI:10.7654/j.issn.2097-1974.20230124 沿驻点线化学非平衡程度评估方法 杨天鹏,严东升,于江鹏,郭 阳,刘文伶(北京航天长征飞行器研究所,北京,100076)摘要:为了研究高温真实气体效应中的化学非平衡的程度,针对球头的沿驻点线流动,通过高温高压气体的化学反应历程
2、估算化学反应特征时间,使用正激波流动关系来估算流动特征时间,建立了化学非平衡评估模型,给出了化学非平衡程度随马赫数和高度的变化关系。计算结果表明,马赫数越大、高度越低,化学反应特征时间比流动特征时间越小,定义的化学反应特征时间与流动特征时间量级相当时为化学非平衡流动,时间比大于10则接近化学冻结流,时间比小于0.1则接近化学平衡流。在设定的球头模型下,化学反应平衡流在高度0km、10km、20km、30km、40km分别需要马赫数大于8.0、9.5、10.8、12.7、20.0,化学反应冻结流在高度30km、40km、50km、60km分别需要马赫数小于8.4、10.2、12.9、17.5,中
3、间来流状态对应化学反应非平衡状态。关键词:数值模拟;高温真实气体效应;化学非平衡 中图分类号:V211.3 文献标识码:A Evaluation Method of Chemical Non-equilibrium along Stagnation Line Yang Tian-peng,Yan Dong-sheng,Yu Jiang-peng,Guo Yang,Liu Wen-ling(Beijng Institute of Space Long March Vehicle,Beijing,100076)Abstract:In order to study the degree of che
4、mical non-equilibrium in high-temperature real gas effect,this paper begins with the flow of the ball head along the stagnation line to establish a chemical non-equilibrium evaluation model.In this model,the chemical reaction characteristic time is calculated by using the chemical reaction process,a
5、nd the flow characteristic time is evaluated by using the relationship before and after the normal shock wave.The degree of chemical non-equilibrium variation law with Mach number and height is given.Calculation results show that the larger the Mach number and the lower the height makes the ratio of
6、 chemical reaction characteristic time and flow characteristic time smaller.The flow is chemical non-equilibrium when the chemical reaction characteristic time and flow characteristic time is in the near order of magnitude.If the time ratio is greater than 10,the flow is close to the chemical equili
7、brium flow,and if the time ratio is less than 0.1,the flow is close to the chemical frozen flow.Under this ball head model,the chemical equilibrium flow requires Mach numbers greater than 8.0,9.5,10.8,12.7,and 20.0 at heights of 0 km,10 km,20 km,30 km,and 40 km respectively.The chemical frozen flow
8、requires Mach numbers less than 8.4,10.2,12.9,and 17.5 at heights of 30 km,40 km,50 km,and 60 km respectively.The intermediate inflow state is chemical non-equilibrium flow.Key words:numerical simulation;high-temperature real gas effect;chemical non-equilibrium 0 引 言 飞行器在大气中高速运动时,其前缘附近产生的强激波会使得激波层内的
9、空气处于高温高压状态,此时空气会发生一系列复杂的化学反应和能量变化,这种现象被称为高温真实气体效应。对于高温真实气体绕流,一般可将流动分为 3 种情况1:第 1 种是冻结流,此时流场中的化学反应速率为零,气体组元的组成不随空间和时间变化,但粘性流动会使得气体组元由于扩散而改变;第 2 种是平衡流,此时流场中的气体处于热力学平衡状态,且流体处于化学平衡状态,此时流场中的化学反应速率为无穷大;第 3 种是非平衡流,流场中气体的热力学性质和化学反应状态随时间空间发生变化,此时化学反应或能量变化的特征时间与流动特征时间处于相近量级。对于高温真实气体效应中涉及到的化学平衡态问题,在多个文献中都给出了大致
10、的参考2,3,但是这些文献并没有对平衡态问题进行定量分析。文献4认为可以通过达姆科勒数Dam,用于描述同一系统中化学反 杨天鹏等 沿驻点线化学非平衡程度评估方法 123第1期 应相比其他现象的相对时间尺度,使用粒子碰撞特征时间与流场特征时间尺度之比来定义流动的化学状态。但是该定义是一种宽泛的定性认识,一般认为特征时间之比高于 4 个量级后才能被划分到另一流态,不便于工程应用。由于化学反应与组元构成、能量输运、化学反应机理等等密切相关,并且流动中还需要关注湍流、边界层、壁面催化、烧蚀等一系列与化学反应相耦合的问题,其表现出强烈的非线性,建模难度非常高,难以给出明确的公式对其进行计算。为了给出高温
11、真实气体效应中对化学非平衡程度的评估,本文从化学反应的宏观表现出发,使用高温高压空气的化学反应历程时间与流动特征时间作为比较,建立化学非平衡评估模型,给出化学非平衡程度随高度和马赫数的变化规律,为流场化学反应模型选取、非平衡流场计算结果不确定度等研究提供参考,提升高速飞行器气动特性预示能力。1 沿驻点线化学反应流动特征分析 为了定量地建立空气化学反应非平衡程度评估模型,需要首先对相应流场的物理特征进行分析。本文选取化学非平衡程度最为严重的驻点线区域作为评估对象,使用数值模拟方法对化学反应效应和流动特征进行分析。本文使用多组元可压缩雷诺平均 Navier-Stokes 方程作为控制方程,其积分形
12、式5为 ()cvdddWFFSQt+-=(1)式中 W为守恒变量;cF为对流通量;vF为粘性通量;Q为化学反应源项;t为流动时间。在计算中使用层流模型,空间离散采用格心格式的二阶精度 AUSM+格式,时间推进采用 LU-SGS 方法。在计算中仅考虑化学非平衡,组元的热力学性质假设满足单温模型。单一 组 元 的 层 流 粘 性 系 数 和 扩 散 系 数 计 算 基 于Chapman-Enskog 理论得到,热传导系数使用 Eucken半经验公式计算。计算模型选用半径 50 mm 的球头,网格量为 100100,计算网格如图 1 所示。边界设置上来流为远场边界,物面使用无滑移、绝热壁和非催化壁边
13、界条件,排除物面模型对流动非平衡程度的影响。来流组元为空气,使用 Gupta 给出的 5 组元六反应模型及其化学反应速率系数6,化学反应模型如表 1 所示。图1 计算网格 Fig.1 Computational Domain 表1 化学反应方程 Tab.1 Chemical Reaction Equation 序号 化学反应方程式 1 O2+M=2O+M 2 N2+M=2N+M 3 NO+M=N+O+M 4 N2+O=NO+N 5 NO+O=O2+N 6 N2+N=2N+N 下面给出高度 30 km 条件下,Ma分别为 10、15、20 的 3 种情况下沿驻点线化学反应能量释放情况。这里定义反
14、应i的化学反应功率密度Ei为 iiiEfH=(2)式中 fi为化学反应i的净反应速率;Hi为化学反应i的焓变。通过该表达式可以得知在空间中某化学反应所造成的产热功率,其反映了某化学反应对流场内能的影响程度,正值为吸热,负值为放热。从图 2 中可以看出,不同来流马赫数下,化学反应流场表现出不同的能量释放模式,在Ma=10 的情况下,化学反应吸热主要以 O2分解为主;在Ma=15 的情况下,开始出现NO 分解;在Ma=20 的情况下,NO 分解与 O2分解并重,且 N2分解反应也表现出较高的吸热量。这说明在评估化学非平衡时,需要同时将 O2、N2和 NO 3 个组元选为评估指标。a)Ma=10 图
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