超高速流动模拟及热化学反应模型对比研究.pdf

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1、2017年6月第43卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2017V01．43NO．6http：／／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0474超高速流动模拟及热化学反应模型对比研究周凯1，李旭东2，胡宗民1’+，姜宗林1(1．中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京100190；2．北京航天长征飞行器研究所，北京100076)摘要：超高速流动是飞行器再入

2、大气层时所面临的高速高温流动环境，膨胀管是少数几种能模拟超高速流动的地面设备之一。采用数值模拟方法对超高速试验进行辅助分析诊断，流动模拟时热化学反应模型的选择对流场特性影响较大，分别选择5组分、11组分热平衡及5组分热非平衡模型，对比研究3种不同热化学反应模型对双楔试验模型数值模拟结果的影响，以进一步评估超高速流动模拟时热化学反应模型的适用范围。结果表明，试验气流条件下5组分化学模型即可满足要求，加速气流条件则必须采取11组分化学模型，而对于流动中热非平衡效应显著时，热化学非平衡模型更为适用。关键词：超高速；膨胀管；数值模拟；热化学反应模型；适用范围中图分类号：V221

3、+．3；TB553文献标识码：A文章编号：1001．5965(2017)06．1173—09飞行器再人大气层时面临非常复杂的流动环境，由于强激波的压缩，波后温度急剧上升，高温引起气体原子、分子能量激发，离解、电离，以及电子激发和辐射等一系列复杂的物理、化学现象。高温条件下，传统的完全气体假设已不再适应，高超声速流场中气体呈现“非完全气体”特性，通常称之为高温真实气体效应¨。。如果高超声速飞行器飞行速度持续提高，一般认为大于5km／s，例如阿波罗飞船再入速度高达11．2km／s’2o，此时高温真实气体效应变得更为剧烈，这种高温真实气体效应极其显著的高超声速流动被定义为超高

4、速流动"o。对于超高速流动的研究手段主要有试验方法及数值方法。膨胀管／风洞是目前世界上能够产生超高速试验流场的少数地面试验设备之一，其结构与反射型激波风洞类似，通过去除后者的驻室，在激波管下游串联一个等截面的加速段，通过主激波波后气体的非定常膨胀使试验气流进一步加速，得到更高的气流速度和总焓。膨胀管的概念是由Resler和Bloxsom”。首次提出的，Trimpi¨1经过详细的理论研究，分析了膨胀管在产生超高速气流方面的优势，指出只要改变膨胀管各段的充气压力，就可以得到大范围的试验气流。自从20世纪60年代膨胀管研究的进入第1个高潮期，但一直没有得到稳定的试验气流。直到

5、20世纪80年代末，Paull等¨。将自由活塞驱动与膨胀管相结合，改善了膨胀管的性能，获得了稳定的可用试验气流。随着宇宙探测、星际旅行对超高速模拟试验的需求，20世纪90年代又出现了膨胀管研制的一个新高潮。世界范围内的膨胀管／风洞设备主要集中在澳大利亚及美国，澳大利亚Queensland大学发展了自由活塞驱动X．系列膨胀管，最大速度可达13km／s¨1，但是试验时间很短。美国CURBC研究中心在验证型膨胀风洞LENS-X的基础上得到了尺寸放大版膨胀风洞LENS·XX，总长超过70in，试验时间可达毫秒量级，是世界上最大的膨胀管／风洞设备。81。国内目前已知的膨胀管设备，

6、是中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室(LHD)于2008年建收稿日期：2016-06-02；录用日期：2016-07-07；网络出版时间：2016-08．3115：02网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160831．1502．002．html基金项目：国家自然科学基金(11532014)}通讯作者：E—mail：huzm@imech．aC．en引用格式：周凯，李旭东，胡宗民，等．超高速流动模拟及热化学反应模型对比研究ⅣJ．北京航空航天大学学报，2017，43f6)：1173-1181．ZHOUK，LIX

7、D，HUZM，eta1．Comparativestudyofthermal-chemicalreactionmodelsonsimulationofhyperve-loeityflow【J]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics．2017，43(6)：1173．1181(inChinese)．1174北京航空航天大学学报2017年立的爆轰驱动膨胀管JF．16，可以实现速度超过10km／s的超高速试验气流，试验时间为100txs，为超高速地面试验提供了基础支撑条件一1。