基于INTESIM软件的热化学非平衡气体数值模拟

关键词：高超声速；钝锥；化学非平衡；CFD求解模块

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）28-0130-03

0 引言

超声速飞行技术在军事领域具有重要应用价值。装备超声速飞行能力的战斗机、导弹等武器能够快速到达目标，提高作战效能。掌握超声速飞行技术不仅能增强一个国家的国际竞争力，还能提升其在国际舞台上的地位。近年来，随着国际形势的错综复杂变化，各国对飞行器超声速飞行的研究日益重视，特别是高超领域的研究，已成为近年的研究重点。高超声速飞行器需要在高温、高压、高速的环境下飞行，因此气动设计成为非常重要的研究方向。研究者们正致力于探索各种气动布局和外形，以提高飞行器的性能和稳定性。

此外，当飞行器的飞行速度达到一定临界值时，其动能会转化为周围空气的内能，从而产生高温效应。这导致飞行器周围的空气发生离解、电离以及原子复合等一系列复杂的化学反应和物理效应，这些现象对雷达探测、飞行器与地面的通信等技术手段产生了严重的影响。本文基于双温度模型，在原型流体仿真求解器体系基础上进行了化学非平衡求解模块的扩展，从数据结构扩展、求解器流程设计、双温模型功能等方面进行了深入研究，实现了热化学非平衡流数值模拟的双温模型功能开发，形成了高温真实气体效应的数值模拟能力，为高超飞行器热化学非平衡流对气动特性影响的研究提供了有力的分析工具。

1 三维热化学非平衡气体控制方程

根据三大守恒定律构建笛卡尔直角坐标系下的计算流体力学控制方程，为模拟空气离解、电离后的组分状态，建立混合气体的各组分质量分数守恒方程，最终可以得到包含了多个组分气体的三维瞬态流动计算流体力学控制方程如下[1]：

2 三维高超声速纯锥绕流计算

20世纪60年代末，为了研究高超声速飞行器再入时产生的“黑障”，即通信中断问题，美国进行了RAM-C 系列飞行实验[2-3]。其中，第二次飞行试验RAM-C Ⅱ的实验结果详尽，且获得了钝锥表面及壁面附近的电子数密度，这为后续对高超声速飞行下的空气电离问题及飞行器外流场分布提供了重要参考[4]。RAM-C的设计试验构型为钝锥结构，钝锥的头端半径尺寸为0.1524 m，半锥角9°，模型全长1.295 m。本文计算了71 km飞行高度下的热化学非平衡流场，计算的网格采用全六面体网格，网格划分如图1所示。海拔71 km高度下的计算条件参考文献[4]，来流马赫数Ma为25.9，远场自由来流温度为215.79 K，压力为4.91 Pa，组分的质量分数为氧气0.21，氮气0.79。

从图2的驻点线平动—转动与振动—电子温度分布曲线可以看出，平动—转动温度与振动—电子温度在激波后存在显著差异，表明该区域存在十分明显的平动振动非平衡现象。热化学非平衡流动的计算包含了空气的各组分在高温、高压下的整个反应过程，空气电离后各组分的质量分数的分布是判断求解器性能的一个重要指标。在图3中，可以看到沿着驻点线的位置各组分气体的质量分数分布曲线。由于高超声速导致的驻点位置高温高压状态，使得氧气分子和氮气分子在壁面附近发生了快速的分解，离解为氧原子、氮原子，其质量分数迅速增大。高超声速流动的气体在驻点附近形成了弓形激波，使得后面的温度继续升高，在高温、高压作用下激波位置将进一步发生化学反应并产生NO，部分NO发生电离分解，生成NO^-和e^-。由于高超声速流动的存在，下游壁面位置发生的所有反应对上游流场的影响是有限的，特别是混合气体的能量、压力、速度、密度等各物理参量，并不会因为下游反应的存在产生重要影响。

由图2和图3所示，驻点线温度和组分摩尔分数分布表明，激波后高温区域出现明显的分子离解与电离反应，而物面附近边界层内由于温度急剧下降至壁面温度，因此化学反应向复合方向移动，使得原子摩尔分数下降，分子摩尔分数上升。文献[5]中的驻点线温度分布曲线与组分摩尔分数分布曲线的结果也在图中给出。同时图4给出了物面压力与文献[5]的对比，由图中结果可以看到，二者基本吻合。

图5将不同计算方法[1]得到的物面电子数密度分布与飞行试验[2]进行了对比。由于物面电子摩尔分数属于极小量，因此热化学反应物理模型的选择对计算结果影响较大。本程序获得了与飞行试验趋势与量级较为一致的计算结果，尤其在驻点附近电子数密度较高区域，与实验计算结果基本一致。

3 结束语

本文采用国内CAE自主软件INTESIM高超声速求解模块，对三维高超声速纯锥绕流问题进行仿真，并对计算结果进行了验证。通过对计算结果的分析和实验结果的对比，表明了三维高超声速求解模块对于热化学非平衡问题计算精度的可靠性，该模块基本可满足航空航天领域工程问题的实际应用需求。