CN111859532A - 考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热壁修正方法技术领域，公开了一种用于高速飞行器气动加热数值预测的考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，本方法将对流热流按物理过程的贡献进行分解，其中温度梯度引起的热流部分满足传统线性的热壁修正方法，而反应扩散引起的热流部分与壁面高温化学作用相关，根据壁面化学反应机制做相应处理。分别求解温度梯度引起的热流和反应扩散引起的热流，再将求解到的热流相加，得到壁面总热流。本发明提出的方法只需要求解冷壁和绝热壁条件下的高超声速流场，不需要流固耦合迭代求解，计算效率高。

Description

考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法
技术领域
本发明涉及热壁修正方法技术领域，尤其涉及一种考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法。
背景技术
在利用计算流体力学技术预测高超声速气动加热特性时，需要解决不同壁面热状态以及与防热结构耦合条件下飞行器所受的气动热载荷，将耗费巨大的计算成本和计算机资源，影响飞行器气动设计周期。针对相同来流和布局条件，考虑到壁面热流和温度在所关注的一定温度范围内近似满足线性关系，即描述对流换热系数的斯坦顿数为定值，当前工程设计中通常通过对冷壁热流进行修正来获得热壁热流或与防热结构耦合条件下的热流，即热壁修正方法。
上述常规的热壁修正方法是针对量热完全气体而发展起来的，未考虑高超声速流动诱发激波后化学非平衡效应带来的影响，需要针对化学非平衡效应的物理机理作改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种用于高速飞行器气动加热数值预测的考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，该方法通过对壁面热流的来源进行物理过程分解，解决一般壁面条件(热壁或与防热结构耦合)下高超声速化学非平衡流动气动加热快速预测的问题。本方法将对流热流按物理过程的贡献进行分解，其中温度梯度引起的热流部分满足传统线性的热壁修正方法，而反应扩散引起的热流部分与壁面高温化学作用相关，根据壁面化学反应机制做相应处理。
本发明采用的技术方案如下：考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，包括以下步骤：
步骤1：根据计算需求，通过数值计算方法，获得壁面热流的流场数据；
步骤2：根据步骤1得到的流场数据，计算获得壁面温度梯度引起的热流；
步骤3：根据步骤1得到的流场数据，计算获得壁面反应扩散引起的热流；
步骤4：将温度梯度引起的热流与反应扩散引起的热流相加，获得壁面的热壁总热流。
通过上述技术手段，将热壁总热流分为两部分进行计算，简化了计算步骤，提高了计算效率，而且在计算壁面反应扩散引起的热流后，得到的热壁总热流更为精准。
进一步的，所述步骤1中，所述流场数据包括冷壁流场数据和绝热壁流场数据。
进一步的，所述步骤2具体包括：
步骤21：根据冷壁流场数据和绝热壁流场数据，分别获得冷壁温度、冷壁热流以及绝热壁温度；
步骤22：通过线性插值，获得给定温度条件下的温度梯度引起的热流。
进一步的，所述步骤22中，温度梯度引起的热流的计算公式如下：
Figure BDA0002541306830000021
其中，qtemp,h表示所求的温度梯度引起的热流，qtemp,c表示冷壁热流，Tc表示冷壁温度，Tad表示绝热壁温度，Th表示热壁温度。
基于传统的热壁修正方法，求得给定温度条件下的温度梯度引起的热流。
进一步的，所述步骤3具体包括：
步骤31：根据冷壁流场数据和绝热壁流场数据，分别获得冷壁浓度、冷壁温度、绝热壁浓度和绝热壁温度；
步骤32：根据冷壁和绝热壁所处温度条件下的浓度，结合壁面反应质量作用定理，获得热壁条件下的组分浓度和焓值；
步骤33：根据壁面化学反应机理以及求得的热壁条件下的组分和焓值，求解获得壁面反应扩散引起的热流。
进一步的，所述步骤33中，反应扩散引起的热流的计算公式如下：
Figure BDA0002541306830000031
其中，qchem表示反应扩散引起的热流，所述J表示壁面催化氧化反应引起的质量通量，所述Y表示组分质量分数，所述T表示当地温度，hs表示焓值。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本方法只需要求解冷壁和绝热壁条件下的高超声速流场，不需要流固耦合迭代求解，计算效率高。
附图说明
图1是本发明的考虑化学非平衡效应的改进热壁修正方法适用的物理问题示意图。
图2是本发明的考虑化学非平衡效应的改进热壁修正方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供了一种考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，该方法适用的物理问题如图1所示。
本发明的改进热壁修正方法是基于壁面高温化学效应对壁面热流和壁面温度线性度的影响规律而发展起来的。对化学非平衡效应的研究表明，尽管反应扩散引起的对流热流与壁面温度的线性度变差，但温度梯度引起的对流热流与壁面温度依旧保持较高的线性性。因此，可以将对流热流按物理过程的贡献进行分解，其中温度梯度引起的热流部分满足传统线性的热壁修正方法，而反应扩散引起的热流部分与壁面高温化学作用相关，根据壁面化学反应机制做相应处理。
首先，将壁面热流分为温度梯度和反应扩散引起的对流热流，具体公式如下：
qtot,h＝qtemp,h+qchem,h
其中温度梯度引起的热流部分为：
Figure BDA0002541306830000041
而反应扩散引起的热流部分为：
Figure BDA0002541306830000042
其中，J为壁面催化氧化反应引起的质量通量，h为气体介质的焓值。
由于qchem是由各个壁面化学反应引起的壁面法向组分扩散造成的，在中等或弱化学反应条件下(典型防热材料的表面催化反应基本处于弱化学反应区段)，组分扩散主要与壁面化学反应速率kf正相关。因此，qchem的热壁效应，与当地温度T和组分质量分数Y有关，可由高焓环境下壁面化学反应独立求得(而非耦合高超声速流场)；而qtemp,h可由改进的热壁修正公式求解。进而根据冷壁的非平衡气动加热结果预测热壁的非平衡气动加热量，获得改进的热壁修正方法。
如图2所示，本发明方法的具体步骤如下：
步骤1：根据计算需求，通过数值计算方法分别获得冷壁流场数据和绝热壁流场数据；
步骤2：根据冷壁流场数据和绝热壁流场数据，分别获得冷壁温度Tc和热流qtemp,c以及绝热壁温度Tad；
步骤3：基于传统的热壁修正方法，通过线性插值，获得给定温度条件下的温度梯度引起的热流qtemp,h；
温度梯度引起的热流qtemp,h的计算公式如下：
Figure BDA0002541306830000051
步骤4：根据冷壁流场数据和绝热壁流场数据，分别获得冷壁浓度Xc和冷壁温度Tc，以及绝热壁浓度Xad和绝热壁温度Tad；
步骤5：根据冷壁和绝热壁所处温度条件下的浓度Xc和Xad，结合壁面反应质量作用定理Kp，获得热壁条件下的组分浓度Xh和焓值hh；
步骤6：根据壁面化学反应机理kf以及热壁条件下的组分Xh和焓值hh，求解壁面反应扩散引起的热流qchem,h；
反应扩散引起的热流qchem,h的计算公式如下：
Figure BDA0002541306830000052
步骤7：将步骤3和步骤6获得的热流相加，获得最终需要的热壁总热流qtot,h。具体如下：
qtot,h＝qtemp,h+qchem,h。
本方法通过对壁面热流的来源进行物理过程分解，解决一般壁面条件(热壁或与防热结构耦合)下高超声速化学非平衡流动气动加热快速预测的问题。该方法只需要求解冷壁和绝热壁条件下的高超声速流场，不需要流固耦合迭代求解，计算效率高。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (6)

1.考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据计算需求，通过数值计算方法，获得壁面热流的流场数据；
步骤2：根据步骤1得到的流场数据，计算获得壁面温度梯度引起的热流；
步骤3：根据步骤1得到的流场数据，计算获得壁面反应扩散引起的热流；
步骤4：将温度梯度引起的热流与反应扩散引起的热流相加，获得壁面的热壁总热流。
2.根据权利要求1所述的考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，其特征在于，所述步骤1中，所述流场数据包括冷壁流场数据和绝热壁流场数据。
3.根据权利要求2所述的考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤21：根据冷壁流场数据和绝热壁流场数据，分别获得冷壁温度、冷壁热流以及绝热壁温度；
步骤22：通过线性插值，获得给定温度条件下的温度梯度引起的热流。
4.根据权利要求3所述的考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，其特征在于，所述步骤22中，温度梯度引起的热流的计算公式如下：
Figure FDA0002541306820000011
其中，qtemp，h表示所求的温度梯度引起的热流，qtemp，c表示冷壁热流，Tc表示冷壁温度，Tad表示绝热壁温度，Th表示热壁温度。
5.根据权利要求2或3所述的考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤31：根据冷壁流场数据和绝热壁流场数据，分别获得冷壁浓度、冷壁温度、绝热壁浓度和绝热壁温度；
步骤32：根据冷壁和绝热壁所处温度条件下的浓度，结合壁面反应质量作用定理，获得热壁条件下的组分浓度和焓值；
步骤33：根据壁面化学反应机理以及求得的热壁条件下的组分和焓值，求解获得壁面反应扩散引起的热流。
6.根据权利要求5所述的考虑高超声速化学非平衡效应的改进热壁修正方法，其特征在于，所述步骤33中，反应扩散引起的热流的计算公式如下：
Figure FDA0002541306820000021
其中，qchem表示反应扩散引起的热流，所述J表示壁面催化氧化反应引起的质量通量，所述Y表示组分质量分数，所述T表示当地温度，hs表示焓值。
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