三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaAug．252017V01．38No．8SSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cnDoI：10．7527／$1000—6893．2017．121030三维等离子体MHD气动热环境数值模拟丁明松*，江涛，董维中，高铁锁，刘庆宗中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，绵阳621000摘要：电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向，在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子

2、体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应，气体分子振动能激发以及化学非平衡效应，耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设，通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程，建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序，采用典型算例进行考核。在此基础上，开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明：建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序，其数值模拟结果与文献符合，外加磁场使飞行器头部弓形激波外推，磁场强度

3、越强，激波面外推距离越大；不同磁场强度环境下，流场中温度峰值大小略有变化，变化幅度较小；磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用，作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关；当前的计算条件下，飞行的高度越高，磁场的作用越明显。关键词：MHD；等离子体；化学非平衡；数值模拟；气动热环境中图分类号：V411．3；0354．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)08121030—10高超声速飞行器再人大气层的过程中，速度可高达5km／s以上甚至达到第一、第二宇宙速度，此时与空气发生强烈的相互作用，飞行器激波层内温度高达8000K以上[1]，高温流

4、场中发生复杂的物理化学现象，如离解、复合、电离和交换等，气体分子振动能量模态激活，形成具有弱导电性等离子体鞘套。基于磁流体动力学(MHD)，利用机载磁场发生装置向弱导电性的等离子体鞘套引入适当的动量和能量对高超声速飞行器流场进行控制，这种电磁流动控制技术可以有效改进和提高飞行器的气动特性、通信性能、隐身与突防能力，在高超声速飞行器气动力控制、气动热环境减缓、边界层转捩控制和等离子体电子密度分布调整等方面显示出广阔的应用前景。由于电磁场变化的特征时间和流动的特征时间存在数量级差别，同时高超声速飞行器外流场等离子体导电性一般较弱，因此，数值模拟高超声速飞行器外流场

5、时常采用“低磁雷诺数近似”：在电导率较小时，感应磁场相对于外加磁场很弱，基本上可以忽略，此时可以假设外磁场未受流动干扰，舍去电磁交叉项，使方程形式得到简化。采用低磁雷诺数MHD方程组，避免了数值模拟时的奇性和刚性问题，减小了非必要的繁复计算，因而计算效率相对较高。高温空气电导率是高超声速电磁流动控制数值模拟最重要的参数之一。影响混合气体电导率的因素很多，要得到较为准确的气体电导率，依赖于高超声速流场的准确模拟，包括混合气体电离程度、温度、密度、组分和热力学状态等参数的精确模拟。因此，在高超声速飞行器磁流体数值模收稿日期：2016—12—06；退修日期：2016

6、—12—30；录用日期：2017．01-29；网络出版时间：2017．02一T711：21网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．201702171121002html*通讯作者E—mail：dingms2008@qq．com引用榕武：T鞠松，江涛，董维中，等÷三维等离子体MHD气动热环境数值模拟!J二航空学报．2017，38(8)：121030iDINGMS．JIANGT，DONGWZ，etalNumericalsimulationof3DplasmaMHDaero—thermalenv『厂onment￡J]．Acta

7、AeronauticaetAstro．nauticaSinica，2017，38(8)；121030121030．1航空学报拟时，必须考虑高温流场中发生的复杂物理化学现象，包括高温气体热化学反应、气体分子能量模态激活及其非平衡效应，即高温气体非平衡效应，得到详细的流场参数。近20年来，随着人工电离技术、超导磁体技术以及计算机性能的突飞猛进，高超声速飞行器磁流体控制技术迎来了新的研究热潮。2005年，Maccormack[21考虑低磁雷诺数近似，对半球圆筒的磁流体高超声速流动进行了数值模拟；2010年，Lee等[3]采用低磁雷诺数假设和高温气体冻结与平衡假设，数

8、值模拟了飞行高度60km、马赫数10的