采用态-态模型的热化学非平衡喷管流数值研究.pdf

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1、第31卷第5期计算物理Vo1．31．NO．52014年9月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSSep．，2014文章编号：1001—246X(2014)05-0531-08采用态一态模型的热化学非平衡喷管流数值研究徐丹，曾明，张威，柳军(国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073)摘要：数值求解耦合态一态模型的N／N准一维喷管非平衡流方程，获得驻室温度3000K～10000K，压力1atm·10atm条件下的流场参数分布和详细的振动能级分布，分析喷管流动中的宏观和微观特性，并对这类复合占优的流动考察双温度模型中假设的

2、合理性．关键词：态一态模型；热化学非平衡；振动能级分布；高超声速喷管流动；数值模拟中图分类号：V211．22文献标志码：A0引言高超声速高焓流动中常同时存在热力和化学非平衡现象．对热力非平衡流动，气体各种模式的内能无法用统一的温度表征．一般而言，转动与平动内能模式较易达到平衡，可以用同一温度描述，记作平动／转动温度或平动温度，且平动和转动能级分布为该温度下的Bohzmann分布．在电子能可以忽略的情况下，热力非平衡主要表现为振动非平衡．有两类描述流动中热力非平衡现象和热力一化学耦合的方法．一类是多温度模型法，以双温度模型法为代表，通过振动能变化率方程描述振动非平衡过

3、程，以不同于平动温度的振动温度表征非平衡振动能，将化学反应控制温度设为平动温度与振动温度的某种平均值以反映热力一化学耦合；另一类是态一态模型法。3，直接描述分子在各振动能级间的非平衡跃迁过程，给出各能级粒子数变化率方程，热力一化学耦合则通过分别描述各能级上分子的化学反应过程自然体现．双温度模型法引入振动能变化率方程和流动控制方程耦合求解，得到流场各点的非平衡振动能后借用平衡振动能和温度的关系式，折算出振动温度，它与平动温度的差别能直观地反映流动中的振动非平衡现象．振动温度进入化学反应控制温度也是一个简便地体现热力一化学耦合的方法．双温度模型及其后来拓展的多温度模型一

4、定程度上反映了流动中的热力非平衡现象和热力一化学耦合，在高温非平衡流的数值模拟中获得了广泛的应用，在许多条件下也获得了良好的数值结果，但是也存在局限，例如在复合区的效果不如离解区，无法合理解释AVCO实验数据，等．其实化学反应控制温度(即化学反应速率系数Arrhenius公式中的温度)中包含振动温度的内涵是值得进一步分析的．Arrhenius速率系数公式中的温度参数一方面是反映粒子碰撞频率，与随机热运动(平动)速度有关；另一方面则是反映碰撞能够引起化学反应的概率，与参与碰撞粒子的内能(包括平动、转动、振动、电子能)有关，这里以温度反映粒子内能的物理内涵其实是基于参与

5、反应的粒子能级分布满足该温度下的平衡分布(Bohzmann分布)的．因此从这个角度看，在化学反应控制温度中引人振动温度，可以说隐含着对振动非平衡流采用了振动能级分布满足振动温度下Bohzmann分布的假设，这个假设是否合理，需要进一步研究．另外，采用何种方式对平动温度和振动温度取平均以确定化学反应控制温度主要依据经验，也具有相当的不确定性．态一态模型法描述振动非平衡及其与化学反应耦合的方法则更为精细和直接．它将粒子在能级间的跃迁与化学反应视为同一性质的过程研究，能够得到流体组元详细能级分布而不只是总的非平衡振动能的变化规律，掌握了更多的细节；它直接研究各能级上粒子的

6、化学反应，避免了多温度模型中经验性的热：匀一化学耦合方法．不过，尽管态一态模型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复杂，使得收稿日期：2013—10—09；修回日期：2014—02—21基金项目：国家自然科学基金(11102231)资助项目作者简介：徐丹(1987一)，男，辽宁风城，博士生，主要从事计算流体力学、高温气体动力学研究，E-mail：449761494@qq．tom532计算物理第31卷计算中处理的信息量巨大，并且计算结果强烈依赖于所使用的微观模型和动力学给出的相关数据，所以目前还无法实现态一态模型与多维流场程序的耦合，国外采用态一态模

7、型的研究一般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．国内在态一态模型的研究方面刚刚起步，一些学者对模型基本原理和实验方法进行了总结和讨论。，笔者曾采用态一态模型研究零维问题⋯，对等温等压或等温等容的N／N混合物系统，详细研究其热化学非平衡过程，揭示了非平衡过程中的一些微观分布信息，加深了对态一态模型和非平衡过程的理解．进一步将态一态模型与流动耦合，研究N／N混合物的准一维热化学非平衡喷管流动．国外学者求解耦合态一态模型的准一维非平衡喷管流控制方程时是采用空间推进方法，考虑到非平衡喷管流中喉部非声速等原因造成的入口条件试凑的困难