高溫化學反應流動的DSMC模擬及氣動光學效應分析.pdf

1、準確模擬高速流場(諸如高空再入飛行器繞流流場)中的熱化學非平衡問題一直都是各種流場數值計算的難點,直接模擬蒙特卡洛法(DSMC)采用有限個模擬分子代替真實氣體分子,直接模擬微觀態(tài)的氣體分子運動和碰撞,是一種更接近于氣體真實的運動狀態(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)介質假設的CFD方法相比,DSMC在模擬稀薄流區(qū)流動和涉及熱化學非平衡的流動時具有天然的優(yōu)勢。
　　本文從分子氣體動力學入手,結合現有直接蒙特卡洛

2、(DSMC)的數值方法理論,對DSMC模擬高超聲速稀薄流中的化學反應進行了研究,發(fā)展了一套適用于帶化學反應的高超聲速稀薄流動的DSMC數值模擬程序,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象的模擬分析。力圖建立高超聲速飛行器繞流流場的準確模型。本文采用Larsen-Borgnakke唯象法模型來描述碰撞分子的平動能與內能之間的能量交換,并在此基礎上,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種化學反應的DSMC唯象化學反應模型。對于離解-復合反應,采用與振動能相結合的Larsen-Borgnakke唯象化學反應模型;同時,根據Bird和Boyd的理論,以宏觀Arrhenius方程為基礎,結合DSMC的概率方法正確模擬了空氣中常見的2對置換反應。
　　本文采用的分子模型為VHS(變徑硬球)模型,結合壁面漫反射理論,采用多塊貼體網格技術模擬了高速圓柱繞流流場,并與歐洲航空航天局高焓風洞(H E G)的實驗

4、結果進行了比較論證,結果表明,DSMC數值模擬的結果與實驗值符合較好,能夠準確的模擬高超聲速繞流流場的具體結構,包括其中發(fā)生的各種化學反應。
　　基于上述DSMC對化學反應流場的準確建模,本文在最后部分結合光線在流場中的傳播機理(這里只考慮幾何光學和少量波動光學的內容),運用光線追跡算法跟蹤計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反應對時均流場和脈動流場氣動光學效應的影響,給出了