高超声速飞行,激波后高温气体会发生电离,飞行器气动热环境复杂。5组元(N_2,O_2,NO,O,N)、7组元(N_2,O_2,NO,O,N,NO+,e-)和11组元(N_2,O_2,NO,O,N,N+2,O+2,NO+,O+,N+,e-)热化学反应采用Gupta化学反应模型,分别数值研究电离作用对高超声速热化学非平衡气动热环境影响。本文分析了不同催化壁面条件下,高超声速热化学非平衡电离流场气动热环境特性。电离作用对激波离体距离和气动力载荷的影响很小。5组元热化学非平衡不考虑电离作用,流场温度和壁面热流密度偏大。11组元热化学平衡强电离流场温度最低; 7组元热化学非平衡弱电离流场NO+和e-生成量过低; 11组元热化学反应能对热化学非平衡电离流场气动力和热流密度载荷可靠预测。壁面催化作用会增大壁面热流密度,但它对高超声速热化学非平衡电离流场温度和气动力载荷的影响很小。

通常的CFD计算都是确定性的,然而复杂工程数值模拟中必然存在误差与不确定度,分析与辨识其不确定度来源,对不确定度进行量化分析,对数值模拟可信度评估有重要意义。在高超声速飞行器气动热计算中,为获得更加可靠的气动热数据和鉴定影响气动热预测的关键因素,对返回舱开展了气动热不确定度量化分析和敏感性分析。首先选取来流速度、来流温度、壁面温度和来流密度4个不确定性输入变量,并且假定来流速度变化范围为±120 m/s(±2%),来流温度、壁面温度和来流密度变化范围为±10%。然后采用拉丁超立方抽样法生成样本,再通过热化学非平衡数值模拟方法进行气动热计算,最后分别运用基于非嵌入式多项式混沌(NIPC)的方法和基于Sobol指数的方法开展不确定度量化和敏感性分析。结果表明,在给定的输入变量不确定度的条件下,壁面热流不确定度不小于15.9%,在

采用非结构混合网格数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程组获得高超声速流场各组分气动热力学参数,并计算物面热流值。利用有限速率化学反应模型和二温度气体模型分别描述化学非平衡和热力学非平衡过程,通过Park振动——离解模型刻画化学非平衡和热力学非平衡耦合效应。无黏通量项采用AUSM格式离散;对无黏通量项和源项采用隐式时间推进格式,增强数值求解过程稳定性。数值算例表明,为得到正确的物面热流值,非结构混合网格边界层y+需减小至0.5,且网格增长率不超过1.4;采用元素摩尔数守恒关系式计算化学反应源项,可有效降低数值残差积累对计算小组分气体的不利影响,提高各气体组分计算准确度。

为了在电弧风洞更好地开展高超声速飞行器防热材料或结构热考核试验,基于有限体积离散,建立了针对电弧风洞高焓试验状态的多组分热化学非平衡流场数值模拟方法。针对中国空气动力研究与发展中心20MW电弧风洞不同试验模型的高焓流场进行了模拟,获得了试验状态的流场特性和模型表面热流分布,通过与试验测量值比较验证了计算方法。研究发现在喷管出口和试验模型之间的轴向距离很近的情况下,可以采用喷管流场和模型绕流分开模拟。通过对比数值模拟方法中的热化学模型,表明采用Gupta 7组分和5组分空气化学反应数据获得的模型表面热流非常接近,同时相比单温度模型结果,双温度模型结果与试验测量结果更接近。比较了多个状态条件下计算和试验测量获得的试验模型表面热流,发现二者相差都在15%以内,验证了建立的数值方法模拟该风洞高焓流场的

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用５组分１７个化学反应Ｄｕｎｎ－Ｋａｎｇ空气化学模型和轴对称热化学非平衡Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟，给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布，并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Ｐｔ、ＳｉＯ２、Ｎｉ和某种

对高超声速圆球模型飞行场进行数值模拟，分别采用空气空气气体模型，平衡气体模型以及热化学非平衡11组元气体模型求解非定常轴对称N－S方程组，使用有限差分时间相关法捕捉激波，得到了定常流场的解，差分方程稳式部分采用了LU－SGS方法以避免矩阵运算，对化学反应和振动能量源项采用预处理矩阵以解决刚性问题，由计算结果处理得到的阴影图和干涉条纹图与再入物理弹道靶实验照片进行了对比分析，验证了实验中圆球飞行流场大部分区域接近于平衡状态。