高超声速非平衡流粘性相互作用研究

论文摘要

本文以二维压缩拐角流动、斜激波入射平板边界层流动、25/55°尖双锥流动为例,进行高超声速非平衡流粘性相互作用数值模拟与研究,分析了高超声速来流条件下的激波/激波干扰、激波/边界层干扰、流动分离等复杂流动现象特点和高温真实气体效应对这些流动现象的影响。还以二维压缩拐角流动为例,分析了高焓风洞自由流非平衡对流动的影响。在二维压缩拐角流动研究中,自由流Ma=7.7~30,焓值3.85~54.6MJ/kg,分别采用了15°、18°、24°压缩拐角模型。分析了来流焓值、马赫数、温度和壁面温度、催化特性对流场的影响,特别是对分离区的影响。来流焓值、马赫数越大,来流温度越低,流动越不容易分离。当流动存在分离时,壁面温度越高,分离区越小。当流场中存在明显的化学反应时,催化壁条件使壁面热流增加。分别采用量热完全气体模型、热力平衡化学冻结模型、热化学非平衡模型、热化学平衡模型对总焓54.6MJ/kg条件下的各压缩拐角流动进行模拟,分析了高焓条件下流场的热化学状态,考查了高温效应的影响。在斜激波入射平板边界层流动的研究中,分析了来流马赫数(Ma=10~34)、入射斜激波强度、壁面温度和催化特性对流动的影响,还重点分析了斜激波入射点处的边界层状态的影响。平板壁面的热流率分布显示,斜激波入射点附近的热流率峰值可能比平板段的热流率高一到两个数量级。通过对比流场中的平动温度和振动温度以及氧原子的质量分数分布,了解了流场的热化学状态,发现斜激波入射点附近的高温区域其下游形成一条高温带,对当地的热化学状态和壁面热流造成重要影响。模拟了某低焓双锥氮气介质流动,做了网格收敛性的研究和格式的对比分析。基于数值模拟的结果对流场结构进行了详细分析,明白了激波/边界层干扰与分离区相互耦合作用的机理,对后锥面上方超声速“喷流”不断膨胀压缩和脱体激波“断裂”的原因进行了分析。最后总结了部分国外相关研究的结果,分析了振动能松弛和化学反应对双锥流动的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状及本文研究的必要性
• 1.2.1 国外研究现状和发展动态
• 1.2.2 国内研究现状和发展动态
• 1.2.3 本文研究的必要性
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 物理化学模型和数值方法
• 2.1 前言
• 2.2 物理模型
• 2.2.1 热力学模型
• 2.2.2 双温度模型
• 2.2.3 振动松弛方程
• 2.2.4 状态方程
• 2.2.5 比热计算
• 2.2.6 输运模型
• 2.3 化学反应动力学模型
• 2.3.1 化学振动耦合
• 2.3.2 化学反应式与反应速率系数
• 2.3.3 化学反应源项的计算
• 2.4 二维/轴对称热化学非平衡流动控制方程及定解条件
• 2.4.1 控制方程
• 2.4.2 定解条件
• 2.5 控制方程数值求解
• 2.5.1 坐标变换
• 2.5.2 雅可比系数矩阵及分裂
• 2.5.3 差分离散
• 2.5.4 隐式处理方法（LU-SGS）
• 2.5.5 差分格式
• 第三章 压缩拐角流动数值模拟与分析
• 3.1 引言
• 3.2 流场计算方法与程序校验
• 3.2.1 热化学模型
• 3.2.2 流场计算程序及校验
• 3.3 流场分析
• 3.3.1 分离特性分析
• 3.3.2 流场结构分析
• 3.3.3 流场热化学状态分析
• 3.4 来流参数对流动的影响
• 3.4.1 来流马赫数不变，来流焓值的影响
• 3.4.2 来流温度不变，马赫数的影响
• 3.4.3 来流速度不变，来流温度的影响
• 3.5 壁面参数对流动的影响
• 3.6 自由流非平衡的影响
• 3.6.1 算例条件和计算方法简介
• 3.6.2 结果与分析
• 3.6.3 小结
• 3.7 压缩面压力系数估算
• 3.8 小结
• 第四章 斜激波入射平板边界层流动数值模拟与分析
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法和算例条件
• 4.2.1 计算方法
• 4.2.2 算例条件
• 4.2.3 网格
• 4.2.4 边界条件
• 4.3 流场结构分析
• 4.3.1 未分离流场结构分析
• 4.3.2 分离流场结构分析
• 4.4 来流马赫数对流动特性的影响
• 4.4.1 来流马赫数对壁面热流率和压力特性的影响
• 4.4.2 来流马赫数对分离区的影响
• 4.5 尖劈角度对流动特性的影响
• 4.6 壁面条件对流动特性的影响
• 4.6.1 壁温对流动特性的影响
• 4.6.2 壁面催化特性对流动特性的影响
• 4.7 边界层状态对流动特性的影响
• 4.8 小结
• 第五章 双锥流动分析
• 5.1 引言
• 5.2 低焓氮气双锥流场模拟
• 5.2.1 算例条件和计算方法
• 5.2.2 网格收敛性分析
• 5.2.3 双锥流场结构分析
• 5.3 国外部分研究成果总结
• 5.3.1 双锥流场层流和定常与否的讨论
• 5.3.2 数值耗散对流场的影响
• 5.3.3 振动能松弛的影响
• 5.3.4 化学反应的影响
• 5.4 小结与启示
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A Gupta 空气化学反应模型与反应速率系数（C.G.S）
• 附录B 11组元模型催化物系数Zij