高溫化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)的DSMC模擬及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)分析.pdf

1、準(zhǔn)確模擬高速流場(諸如高空再入飛行器繞流流場)中的熱化學(xué)非平衡問題一直都是各種流場數(shù)值計(jì)算的難點(diǎn),直接模擬蒙特卡洛法(DSMC)采用有限個(gè)模擬分子代替真實(shí)氣體分子,直接模擬微觀態(tài)的氣體分子運(yùn)動(dòng)和碰撞,是一種更接近于氣體真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能量交換的模擬方法。鑒于這種直接的物理模型,與基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的CFD方法相比,DSMC在模擬稀薄流區(qū)流動(dòng)和涉及熱化學(xué)非平衡的流動(dòng)時(shí)具有天然的優(yōu)勢。
　　本文從分子氣體動(dòng)力學(xué)入手,結(jié)合現(xiàn)有直接蒙特卡洛

2、(DSMC)的數(shù)值方法理論,對(duì)DSMC模擬高超聲速稀薄流中的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了研究,發(fā)展了一套適用于帶化學(xué)反應(yīng)的高超聲速稀薄流動(dòng)的DSMC數(shù)值模擬程序,并將其用于高空稀薄流中高超聲速飛行器繞流流場中各種非平衡現(xiàn)象的模擬分析。力圖建立高超聲速飛行器繞流流場的準(zhǔn)確模型。本文采用Larsen-Borgnakke唯象法模型來描述碰撞分子的平動(dòng)能與內(nèi)能之間的能量交換,并在此基礎(chǔ)上,采用位阻因子法發(fā)展了一套涉及空氣中5種常見活躍組分(N2,O2,NO,

3、N,O)之間10種化學(xué)反應(yīng)的DSMC唯象化學(xué)反應(yīng)模型。對(duì)于離解-復(fù)合反應(yīng),采用與振動(dòng)能相結(jié)合的Larsen-Borgnakke唯象化學(xué)反應(yīng)模型;同時(shí),根據(jù)Bird和Boyd的理論,以宏觀Arrhenius方程為基礎(chǔ),結(jié)合DSMC的概率方法正確模擬了空氣中常見的2對(duì)置換反應(yīng)。
　　本文采用的分子模型為VHS(變徑硬球)模型,結(jié)合壁面漫反射理論,采用多塊貼體網(wǎng)格技術(shù)模擬了高速圓柱繞流流場,并與歐洲航空航天局高焓風(fēng)洞(H E G)的實(shí)驗(yàn)

4、結(jié)果進(jìn)行了比較論證,結(jié)果表明,DSMC數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合較好,能夠準(zhǔn)確的模擬高超聲速繞流流場的具體結(jié)構(gòu),包括其中發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)。
　　基于上述DSMC對(duì)化學(xué)反應(yīng)流場的準(zhǔn)確建模,本文在最后部分結(jié)合光線在流場中的傳播機(jī)理(這里只考慮幾何光學(xué)和少量波動(dòng)光學(xué)的內(nèi)容),運(yùn)用光線追跡算法跟蹤計(jì)算了光線在不同流場中傳播的特征物理量(包括光程差,瞄視誤差等)并以此分別分析了流場中的化學(xué)反應(yīng)對(duì)時(shí)均流場和脈動(dòng)流場氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的影響,給出了