高速高温流场电子能非平衡的数值模拟.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252016V01．37No13340．3350ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：#hkxbbuaa．edu．cahkxb@buaa．edu．cn高速高温流场电子能非平衡的数值模拟郝佳傲1，王京盈2一，高振勋1，蒋崇文1，李椿萱11．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1000832．山东大学能源与动力工程学院，济南250100摘要：采用描述电子能非平衡的三温度模型，结合11组分空气的化学反应模型，对多种高速高温热化学非平衡

2、流场开展数值模拟，并与描述电子能平衡的两温度模型结果进行对比，研究电子能非平衡对高超声速流场特性的影响。圆球弹道靶试验算例表明电子能非平衡不影响激波脱体距离。RAM-CII飞行器的4个飞行工况算例表明，尽管两温度和三温度模型结果存在差异，但二者电子数密度分布的趋势和量级接近，均可与飞行试验数据保持一致，其中三温度模型的预测效果更好。FIREII飞行器极高温流场模拟结果显示，电子能非平衡几乎不影响飞行器表面的对流传热。关键词：高超声速；热非平衡；化学反应；数值模拟；黑障中图分类号：V211．3；0354．7文献标识码：A文章编号：1000

3、—6893(2016)11-3340—11为满足未来月球和火星登陆任务的需求，高速高温流场特性的准确预测对新一代再入飞行器的设计具有重要意义[1]。这就要求数值模拟工具能完整求解Navier-Stokes方程，并考虑流场中出现的热化学非平衡等复杂理化现象。以往研究口。41大多采用电子能平衡的两温度模型描述高速高温流场热化学非平衡过程，而关注电子能非平衡的研究相对较少。Candler和MacCormack[5]采用了六温度(一个平动一转动温度、四个振动温度以及一个电子温度)热非平衡模型，求解了RAM—CII飞行器的高速高温流动，结果表明单

4、个统一的振动温度足以描述流场的振动能非平衡特性，但振动一电子能量输运模型有待进一步完善。Kim等[6]考虑了电子能非平衡，求解了多种再入飞行器的高超声速流场，认为电子温度对热防护系统设计以及通信黑障预测起重要作用。Farbar等[71在Kim等工作基础上，对RAM—CII与Stardust飞行器流场进行了数值模拟，认为电子能非平衡将显著改变电子的空间分布与量级。上述研究着重关注了电子能非平衡对电子数密度分布及流场温度分布的影响，但电子能非平衡对流场其他关键物理量如激波脱体距离以及表面气动加热等的作用仍不清晰。另外，上述研究中电子数密度的

5、对照飞行试验数据较少，尚不足以充分表明影响规律。因此，高速高温流动中的电子能非平衡现象及其对流场特性的影响仍需进一步探索。本文考虑电子能非平衡三温度模型以及11组分空气的化学反应模型，对高速高温流场进行数值求解，并与电子能平衡两温度模型结果进行对比，研究电子能非平衡对流场特性的影响。首先利用圆球弹道靶试验，比较分析电子能非平衡对激波脱体距离的影响；然后通过对RAM—CII飞行器的4种工况开展数值模拟，与飞行试验收稿日期：2016—01—06；退修日期：2016-01-26；录用日期：2016-05—26；网络出版时间：2016—06—0

6、109：12网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929V20160601．0912002htmI基金项目：国家自然科学基金(11372028)*通讯作者．Tel．：0531—88392890E—mail：wiy—sdu@126．corn引用格武；郝佳傲，王京盈，高振勋，等．高速高温流场电子能非平衡曲数值模拟[正．航空学报，2016，37(11)：3340—3350．HAOJA，WANGJY，GAOZX，etalNumericalsimulationofelectronic-electronenergyno

7、nequ#ibriuminhighspeedandhightemperatureflowfields[J]ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016．37(I1)：3340—3350．郝佳傲，等：高速高温流场电子能非平衡的数值模拟的电子数密度数据进行了对比，说明电子能非平衡对电子数密度预测的重要影响；最后选取FIREII飞行器算例，考察了极高温条件下电子能非平衡对飞行器表面气动加热的影响。1控制方程采用三温度模型描述高速高温流场的热非平衡状态，假设分子转动模态完全激发且与重粒子平动模态平衡，对应于一

8、个平动一转动温度T；分子振动模态对应于一个振动温度T，；电子激发能和电子平动能对应一个电子激发一平动温度Te(简称为电子能与电子温度)。两温度模型则采用一个平动一转动温度T以及一个振动一电子激发一平动温度T