CN115312139B - 一种高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法 - Google Patents

一种高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，针对高超声速非平衡流动过程中所发生的多种化学反应，利用统一的数据存取方式获得各化学反应的关键参数，采用标准化的函数接口转换参数，任意组装、增减用户所需要的化学反应，使得各种工况下的反应过程可自定义调整，提升了灵活度，扩大了适用范围，减少不必要的计算过程，提升了模拟计算的效率。

Description

一种高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法
技术领域
本发明属于计算流体力学领域，具体涉及高超声速热化学非平衡流动化学反应模型数据的存取和转换方法。
背景技术
一般在来流马赫数大于5的情况下，通称为高超声速飞行条件，在此情况下的飞行器表面流场中，由于激波压缩和粘性阻滞，会出现高温区域。在此区域中动能大幅度的转换为热能，从而出现气体内能模态激发和松弛，并伴随各种粒子之间的化学反应，如分子的离解、原子的电离等等，上述现象也被称为高温真实气体效应。
针对高超声速飞行存在的高温气体效应而言，现已知的国内In-house软件在化学反应模型方面，考虑的范围比较小，并且很难做到自定义设置化学反应模型，因而在实际的计算过程中往往难以满足工程应用的要求。
针对上述计算高温气体效应软件所存在的问题，亟需设计一种具备灵活操作性，即可自定义的化学反应模型数据读取与转换方法，从而让用户在使用时可根据实际工况调整关键特征参数，使计算结果更为可靠。
发明内容
本发明的目的在于，对于高超声速流动所带来的高温气体效应，由于试验方法与设备的不同，研究者得出化学反应的反应组分数、反应类型、正逆反应速率等各有不同，从而导致多种化学反应模型的存在。通常情况下，用户只能使用软件内置的化学模型，而实际在计算过程中由于试验工况的不同，可能需要对反应式进行删减，反应速率调整等操作，固定的化学模型导致计算结果的不合理。因此，本发明提出了一种针对化学反应模型的存取和转换方法，对化学模型进行统一管理，方便存取或转换高超声速流动过程中所发生的各种化学反应的数据，从而自定义设置、自动化装配所需要的化学反应模型。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，所述高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法包括：
S101：构建标准反应模型仓库；所述标准反应模型仓库包括高超声速流动所涉及各类化学反应模型，其中模型特征参数至少包含：各反应物的组分名、化学反应式、正逆反应速率系数、碰撞系数、特征温度；
S102：构建内置反应模型库；将高超声速非平衡流动模拟过程中使用的地球大气、火星大气、烧蚀气体、燃烧室气体的化学反应模型挑选出来，形成一个内置反应模型库，使用时通过参数输入，再通过接口调用；
S103：基于给定的计算工况数据，确定模拟过程中使用的化学反应模型相关参数ns和nr，其中，ns为反应模型组分数，nr为反应式数；
S104：基于确定的参数ns和nr，调用相应的热物理化学性能参数；
S105：基于确定的化学反应模型和性能参数完成模拟计算。
根据一个优选的实施方式，步骤S103中，通过字符型数据gasModel输入模型信息，由化学反应模型读取接口ReadModel函数识别后，若是属于内置反应模型库的常用反应模型，则调用内置反应模型库的相关反应模型，确定反应模型组分数ns和反应式数nr。
根据一个优选的实施方式，步骤S103中，若是不属于内置反应模型库的常用反应模型，则基于在parameter参数文件中预设的speciesName赋值，
通过输入计算所需要的组分种类，在读取参数文件时，当识别到存在speciesName变量，则根据speciesName变量的值更新组分数ns和反应式数nr，实现化学反应模型的任意组合调用。
根据一个优选的实施方式，步骤S104为：在S103的基础上，根据已确定的组分数ns和反应式数nr，通过函数接口调用各反应式的特征参数，包括但不限于：正逆反应速率、碰撞系数，组分系数，以及反应组分的热物理化学性质参数，包括但不限于：摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓、粘性拟合系数。
根据一个优选的实施方式，步骤S105包括：基于确定的化学反应模型和性能参数，耦合流场求解迭代，完成热化学非平衡流场求解的过程。
根据一个优选的实施方式，在进入步骤S103时，若为非常规的计算工况，所述高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法包括：
S201：则通过参数文件输入化学反应的特征参数；
具体包括：当针对给定的来流工况，当内置模型仓库中的化学反应模型无法满足计算的需求时，通过修改反应式的特征参数或增减化学反应，从而改变标准反应模型仓库，进而实现自定义化学反应模型库的构建；
此时，通过在model参数文件中来按照规定的格式要求，修改或增减化学反应的必要特征参数，然后，通过ReadModel函数读取参数文件新加组分的特征参数信息，从而扩充模型仓库中各内置特征参数数组的大小；
S202：根据确定的反应特征参数，装配所需要的化学反应模型；
S203：针对各参数体系，通过统一接口规范数据的存取方式；
S204:利用生成、转换后的化学反应模型和性能参数完成模拟计算。
根据一个优选的实施方式，步骤S201中参数文件新加组分的特征参数信息至少包括：组分名、摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓以及相关方程式系数。
根据一个优选的实施方式，步骤S202具体包括：在S201的基础上，在调用相关的化学反应模型时，通过化学反应的组分名来识别并确定最终的组分数ns和反应式数nr；并根据已确定的组分数ns和反应式数nr，通过函数接口调用各反应式的特征参数，包括但不限于：正逆反应速率、碰撞系数，组分系数，以及反应组分的热物理化学性质参数，包括但不限于：摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓、粘性拟合系数。
根据一个优选的实施方式，步骤S203包括：在S201的基础上，若新添加的化学反应式直只给出了正反应速率，而未给出逆反应速率，此时利用ReadModel函数中封装的UnifyReactionCoef函数接口将该反应的逆反应速率转换为标准的表示形式，并储存在对应的反应速率的数组中，保证后续计算的过程中程序调用统一的接口。
根据一个优选的实施方式，步骤S203中，
若正反应和逆反应的实验拟合系数k，A，E均给出，则采用的经验公式求出正逆反应速率系数，并存入相应的数组中：
Figure 727139DEST_PATH_IMAGE001
其中k f,r 和k b,r 分别表示第r个反应式的正反应和逆反应速率系数，单位为：m3/(mol·s),A f,r 、n f,r 、E f,r 以及A b,r 、n b,r 、E b,r 均为试验拟合参数，T为平动-转动温度，Tm为由平动-转动温度于振动温度Tv的计算几何值，单位为：K；
若试验过程中只给出了正反应的速率，则此时逆反应的速率则通过Park的平衡常数模型计算，且：
Figure 114127DEST_PATH_IMAGE002
式中的k eq 为平衡常数，可以通过Gibbs自由能获得，也可通过拟合公式计算。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：对于化学反应的方程式采用了统一数据结构与模块接口。有化学反应式增减时无需在程序代码中打补丁，只需要通过参数文件读取化学反应的特征参数便可完成新模型的构建；因此，代码维护方便，可读性好，减小编程难度；
对于化学模型进行自动化装配。通常情况下，数值计算所用的化学模型只是化学模型仓库的一个最小模型集合，避免了求解不必要的化学反应式，提升化学反应的计算效率；
多种气体模型的内置以及参数文件的读取，使得地球大气反应、火星大气反应及其它反应类型均可以组合使用，因此应用范围更广，使用方便灵活。
附图说明
图1是本发明方法中反应模型库的示意图；
图2是本发明方法中反应模型的任意组合示意图；
图3是本发明内置化学反应模型调用流程；
图4是本发明方法中内置反应模型增减组分的示意图；
图5是本发明方法中自定义化学反应模型调用流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
本发明公开了一种高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，针对高超声速非平衡流动过程中所发生的多种化学反应，利用统一的数据存取方式获得各化学反应的关键参数，采用标准化的函数接口转换参数，任意组装、增减用户所需要的化学反应，使得各种工况下的反应过程可自定义调整，提升了灵活度，扩大了适用范围，减少不必要的计算过程，提升了模拟计算的效率。
具体方法的实现过程，包括以下步骤：
：构建标准反应模型仓库。
该步骤中，首先创建一个“标准反应模型仓库”（下称模型仓库），该模型仓库的构成主要为国内外研究者所提出的高超声速流动所涉及的各类化学反应，其中主要的特征参数包含：各反应物的组分名、化学反应式、正逆反应速率系数、碰撞系数、特征温度等等。
最终形成一个涵盖多个反应组分及其反应过程的“大集合”，而该模型仓库主要由整型、浮点型和字符型数据构成，各反应过程的特征参数存入相应的数组中，需要使用时再通过指针进行调用即可。参考图1所示，图1所示为各种反应模型库之间的调用示意图。并参考图2所示，图中示出了内置化学反应模型调用流程。
：构建内置反应模型库。
该步骤中，具体是将高超声速非平衡流动模拟过程中常用的地球大气（Dunn-Kang、Gupta和Park）、火星大气、烧蚀气体、燃烧室气体等多个常用的化学反应模型挑选出来，形成一个“内置反应模型库”，使用时只需要通过参数输入，再通过接口调用即可。
：根据给定的计算工况数据，确定模拟过程中使用的化学反应模型相关参数ns和nr。
该步骤中，需要根据试验过程中给定的来流参数，确定模拟过程中对应的化学反应模型。主要通过字符型数据gasModel输入模型信息，由程序标准化的化学反应模型读取接口ReadModel函数识别后，若是常用反应模型，则直接调用内置反应模型库的相关反应模型，确定反应模型组分数ns和反应式数nr。
例如：模拟计算起始阶段，通过parameter参数文件将变量string gasModel赋值为Park7，那么程序在读取模型时，自动调用Park的地球大气模型，且在计算化学反应源项时，其组分数确定为7个，化学反应的数量确定为22个。
除了调用内置的模型之外，本发明针对内置反应模型库还支持任意化学反应的组合，如图2所示，在parameter参数文件中给speciesName赋值（字符型数据），输入计算所需要的组分种类，程序在读取参数文件时，若识别到存在speciesName变量，则根据此变量的值更新组分数ns和反应式数nr，从而实现化学反应模型的任意组合调用。
：利用确定的控制参数ns和nr，调用相应的热物理化学性能参数。
在S103的基础上，根据已确定的组分数ns和反应式数nr，通过多个步骤的函数接口调用各反应式的特征参数，如：正逆反应速率、碰撞系数，组分系数等，以及反应组分的热物理化学性质参数，如：摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓、粘性拟合系数等。
：利用确定的化学反应模型和性能参数完成模拟计算。
在S104的基础上，一个完整的通过调用内置化学反应模型的流程就已实现，只需要耦合流场求解迭代，便可完成热化学非平衡流场求解的过程。
实施例2
在实施例1的基础上，在进入步骤S103时，若为非常规的计算工况，所述高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法包括如下步骤，参考图5所示。
：若为非常规的计算工况，通过参数文件输入化学反应的特征参数。
在该步骤中，若针对给定的来流工况，内置模型仓库中的化学反应模型已经无法满足计算的需求，便需要修改部分反应式的特征参数，甚至增减部分化学反应，从而改变“标准反应模型仓库”，进而实现自定义化学反应模型库的构建。
此时，可以通过在model参数文件中来按照规定的格式要求，修改或增减化学反应的必要特征参数，随后，程序可通过ReadModel函数读取参数文件新加组分的特征参数信息（如：组分名、摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓以及相关方程式系数），从而扩充模型仓库中各内置特征参数数组的大小，其中新加组分的信息放置于内置组分的后面。如图4所示。
：根据确定的反应特征参数，自动装配所需要的化学反应模型。
在S201的基础上，程序在调用相关的化学反应模型时，基本的执行流程同S103以及S104一致，只是此时只能通过化学反应的组分名（speciesName变量）来识别并确定最终的组分数ns和反应式数nr。
：针对不同的参数体系，通过统一接口规范数据的存取方式。
在S201的基础上，若新添加的化学反应式直接给出了正逆反应速率，那么可直接被程序使用。若只给出了正反应速率，而未给出逆反应速率，此时利用ReadModel函数中封装的UnifyReactionCoef函数接口将该反应的逆反应速率转换为标准的表示形式，并储存在对应的反应速率的数组中，保证后续计算的过程中程序调用统一的接口。
其中，对于速率的具体转换而言，若正反应和逆反应的实验拟合系数（k，A，E）均给出，则采用的经验公式（1）求出正逆反应速率系数，并存入相应的数组中：
Figure 576332DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中k f,r 和k b,r 分别表示第r个反应式的正反应和逆反应速率系数，单位为：m3/ (mol·s),A f,r 、n f,r 、E f,r 以及A b,r 、n b,r 、E b,r 均为试验拟合参数，T m 、T为第r个反应式的控制温 度，单位为：K；具体地，T为平动-转动温度，Tm为由平动-转动温度于振动温度Tv计算几何值， 即
Figure 65082DEST_PATH_IMAGE003
。
而许多情况，试验过程中只给出了正反应的速率，那么此时逆反应的速率则通过Park的平衡常数模型计算，且：
Figure 270936DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式中的k eq 为平衡常数，可以通过Gibbs自由能获得，也可通过拟合公式计算。
：利用生成、转换后的化学反应模型和性能参数完成模拟计算。
本发明方法中：
对于化学反应的方程式采用了统一数据结构与模块接口。有化学反应式增减时无需在程序代码中打补丁，只需要通过参数文件读取化学反应的特征参数便可完成新模型的构建。因此，代码维护方便，可读性好，减小编程难度；
对于化学模型进行自动化装配。通常情况下，数值计算所用的化学模型只是化学模型仓库的一个最小模型集合，避免了求解不必要的化学反应式，提升化学反应的计算效率；
多种气体模型的内置以及参数文件的读取，使得地球大气反应、火星大气反应及其它反应类型均可以组合使用，因此应用范围更广，使用方便灵活。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，所述高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法包括：
S101：构建标准反应模型仓库；所述标准反应模型仓库包括高超声速流动所涉及各类化学反应模型，其中模型特征参数至少包含：各反应物的组分名、化学反应式、正逆反应速率系数、碰撞系数、特征温度；
S102：构建内置反应模型库；将高超声速非平衡流动模拟过程中使用的地球大气、火星大气、烧蚀气体、燃烧室气体的化学反应模型挑选出来，形成一个内置反应模型库，使用时通过参数输入，再通过接口调用；
S103：基于给定的计算工况数据，确定模拟过程中使用的化学反应模型相关参数ns和nr，其中，ns为反应模型组分数，nr为反应式数；
S104：基于确定的参数ns和nr，调用相应的热物理化学性能参数；
S105：基于确定的化学反应模型和性能参数完成模拟计算。
2.如权利要求1所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，步骤S103中，通过字符型数据gasModel输入模型信息，由化学反应模型读取接口ReadModel函数识别后，若是属于内置反应模型库的常用反应模型，则调用内置反应模型库的相关反应模型，确定反应模型组分数ns和反应式数nr。
3.如权利要求2所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，步骤S103中，若是不属于内置反应模型库的常用反应模型，则基于在parameter参数文件中预设的speciesName赋值，
通过输入计算所需要的组分种类，在读取参数文件时，当识别到存在speciesName变量，则根据speciesName变量的值更新组分数ns和反应式数nr，实现化学反应模型的任意组合调用。
4.如权利要求3所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，
步骤S104为：在S103的基础上，根据已确定的组分数ns和反应式数nr，通过函数接口调用各反应式的特征参数，包括但不限于：正逆反应速率、碰撞系数，组分系数，以及反应组分的热物理化学性质参数，包括但不限于：摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓、粘性拟合系数。
5.如权利要求4所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，步骤S105包括：基于确定的化学反应模型和性能参数，耦合流场求解迭代，完成热化学非平衡流场求解的过程。
6.如权利要求3所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，在进入步骤S103时，若为非常规的计算工况，所述高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法包括：
S201：则通过参数文件输入化学反应的特征参数；
具体包括：当针对给定的来流工况，当内置模型仓库中的化学反应模型无法满足计算的需求时，通过修改反应式的特征参数或增减化学反应，从而改变标准反应模型仓库，进而实现自定义化学反应模型库的构建；
此时，通过在model参数文件中来按照规定的格式要求，修改或增减化学反应的必要特征参数，然后，通过ReadModel函数读取参数文件新加组分的特征参数信息，从而扩充模型仓库中各内置特征参数数组的大小；
S202：根据确定的反应特征参数，装配所需要的化学反应模型；
S203：针对各参数体系，通过统一接口规范数据的存取方式；
S204:利用生成、转换后的化学反应模型和性能参数完成模拟计算。
7.如权利要求6所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，步骤S201中参数文件新加组分的特征参数信息至少包括：组分名、摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓以及相关方程式系数。
8.如权利要求6所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，步骤S202具体包括：在S201的基础上，在调用相关的化学反应模型时，通过化学反应的组分名来识别并确定最终的组分数ns和反应式数nr；
并根据已确定的组分数ns和反应式数nr，通过函数接口调用各反应式的特征参数，包括但不限于：正逆反应速率、碰撞系数，组分系数，以及反应组分的热物理化学性质参数，包括但不限于：摩尔质量、特征振动电子温度、化学生成焓、粘性拟合系数。
9.如权利要求8所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，步骤S203包括：
在S201的基础上，若新添加的化学反应式只给出了正反应速率，而未给出逆反应速率，此时利用ReadModel函数中封装的UnifyReactionCoef函数接口将该反应的逆反应速率转换为标准的表示形式，并储存在对应的反应速率的数组中，保证后续计算的过程中程序调用统一的接口。
10.如权利要求8所述的高超声速流动化学反应模型数据的存取与转换方法，其特征在于，步骤S203中，
若正反应和逆反应的实验拟合系数n，A，E均给出，则采用的经验公式求出正逆反应速率系数，并存入相应的数组中：
Figure FDA0003949332690000031
Figure FDA0003949332690000032
其中kf,r和kb,r分别表示第r个反应式的正反应和逆反应速率系数，单位为：m3/(mol·s),Af,r、nf,r、Ef,r以及Ab,r、nb,r、Eb,r均为试验拟合参数，T为平动-转动温度，Tm为由平动-转动温度于振动温度Tv的计算几何值，单位为：K；
若试验过程中只给出了正反应速率，则此时逆反应的速率则通过以下平衡常数模型计算，且：
Figure FDA0003949332690000041
式中的keq为平衡常数，通过Gibbs自由能获得，或通过拟合公式计算。
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