CN116090262A - 一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质，涉及数值模拟计算领域，主要用于模拟高超声速飞行器表面的催化现象。该方法从表面催化效应的机理出发，依据表面复合反应特点及其反应物/生成物的依赖关系，设定各气体组分的计算优先级；依据计算优先级和表面微元的隐式数值离散，构建分级隐式迭代算法，结合质量守恒定律和电中性原理，实现飞行器表面有限催化现象的高效数值模拟。采用该分级隐式算法，计算稳定性好，收敛迅速，不仅克服了常规的显式迭代方法稳定差、易发散的缺点，而且避免了传统隐式方法复杂的系数矩阵耦合求解过程，编程相对简单，容易实现。

Description

一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及数值模拟计算领域，特别涉及一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质。
背景技术
在高超声速飞行器再入飞行过程中，如果飞行速度较高（达到马赫10以上），会出现高温气体非平衡效应。飞行器头部激波后的气体温度可高达几千开尔文，高温气体会发生离解、电离、置换、复合等复杂化学反应，产生大量原子、离子气体组分，改变气体性质，对飞行器气动力、热等特性造成显著影响。流场中原子、离子等成分在到达飞行器表面时会发生催化复合反应（即表面催化效应），释放出很大的结合能，不仅影响非平衡流动，而且产生较大组分扩散热流，使飞行器表面气动热环境更加严酷。因此高温气体非平衡效应及表面催化效应的数值模拟技术，一直受到人们的广泛关注。
在数值模拟技术中，催化效应常以边界条件的形式出现。完全催化（FCW，(fullycatalytic wall）和完全非催化（NCW，non-catalytic wall）是最容易实现的两种表面催化边界条件，应用十分广泛。但这两者只模拟了表面催化的两种极限状态，要精确模拟催化效应，还须考虑表面材料具体的催化特性，采用有限催化条件（PCW，partially catalyticwall）边界计算模型。
高温气体表面有限催化边界的计算模拟相对复杂，需要在非平衡流动模拟过程中，耦合迭代求解表面复杂催化反应体系的质量平衡方程组以计算得到各气体组分的质量分数。在此过程中，由于流动参数与表面反应的相互干扰，常规的显式迭代方法稳定较差，很容易发散；常规的隐式处理方法，需要耦合求解各组分质量平衡方程，并处理与催化反应体系相关联的耦合系数矩阵，实现过程较为复杂，影响计算效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质，能够使得计算各气体组分质量分数的过程更加稳定高效。其具体方案如下：
第一方面，本申请公开了一种有限催化分级隐式数值模拟方法，包括：
非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；
根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；
根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；
基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；
根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；
判断所述新值是否满足预设收敛条件；
若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；
若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。
可选的，所述根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级，包括：
设置当前优先级n=1，设置所述表面催化复合反应体系为当前体系；
将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级，并将所述生成物对应的反应物中气体组分的优先级预设为n+级；所述n+级表示高于n级的优先级；
在当前体系中，去除所述生成物的优先级预设为n级的催化复合反应，并将剩余部分重新设置为目标体系；
判断所述目标体系是否存在催化复合反应；
若存在，则重新设置所述当前优先级n=n+1，并将所述目标体系作为所述当前体系，然后跳转至所述将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级的步骤；
若不存在，则对于表面网格微元上所有气体组分，确认优先级预设为a的气体组分的优先级为a，确认优先级预设为a+的气体组分的优先级为a+1，确认没有预设优先级的气体组分的优先级为无优先级。
可选的，所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数，包括：
基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；
基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；
基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数。
可选的，所述基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值，包括：
根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分；在表面催化复合反应体系中，选择所述当前气体组分参与的若干目标催化复合反应；
基于所述若干目标催化复合反应的所述催化反应速率，计算当前气体组分催化反应质量生成率；
基于所述当前气体组分的所述扩散系数、所述质量生成率和所述辅助计算值，隐式离散所述当前气体组分的表面质量守恒方程，计算得到所述当前气体组分的质量分数的预估值；
跳转至所述根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分的步骤，直至得到所有具有优先级的气体组分质量分数的所述预估值。
可选的，所述有限催化分级隐式数值模拟方法，还包括：
所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级高于所述当前气体组分的优先级的气体组分的质量分数采用所述预估值；
所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级不高于所述当前气体组分的优先级的气体组分和无优先级的气体组分的质量分数采用所述当前值。
可选的，所述根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值，包括：
由所述辅助计算值计算无优先级的气体组分的质量分数的预估值；
若飞行器表面存在电子组分，则基于电中性原则计算所述电子组分的质量分数的预估值；
基于具有优先级的气体组分质量分数的预估值、所述无优先级的气体组分的质量分数的预估值以及可能存在的电子组分质量分数的预估值的质量分数归一化，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值。可选的，所述预设收敛条件为最大相对残差不大于预设精度标准；所述最大相对残差为所有所述气体组分根据预设公式计算的预设相对残差中的最大值；所述预设公式为：
；
；
其中，所述为不同所述气体组分的所述预设相对残差，所述表示不同所述气体组分；所述为所述气体组分的所述新值，所述为所述气体组分的所述当前值；所述为所述气体组分的总个数。
第二方面，本申请公开了一种有限催化分级隐式数值模拟装置，包括：
数值获取模块，用于非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；
优先级设定模块，用于根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；
参数计算模块，用于根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；
预估值计算模块，用于基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；
新值计算模块，用于根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；
判断模块，用于判断所述新值是否满足预设收敛条件；
条件不满足模块，用于若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；
条件满足模块，用于若满足所述预设收敛条件，所述新值即为表面网格微元气体组分质量分数的目标值。
第三方面，本申请公开了一种电子设备，包括处理器和存储器；其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现前述公开的有限催化分级隐式数值模拟方法。
第四方面，本申请公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的有限催化分级隐式数值模拟方法。
可见，本申请非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；判断所述新值是否满足预设收敛条件；若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。由此可见，本申请利用分级的隐式迭代方法计算质量分数，避免了使用显示迭代方法，也避免了全耦合隐式方法复杂的求解过程，使得计算过程更加稳定高效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种有限催化分级隐式数值模拟方法流程图；
图2为本申请提供的一种优先级设定示意图；
图3为本申请提供的一种具体的有限催化分级隐式数值模拟方法流程图；
图4为本申请提供的一种优先级设定示意图；
图5为本申请提供的一种不同催化系数条件驻点线氮气质量分数示意图；
图6为本申请提供的一种不同催化系数条件下驻点归一化热流与现有方法计算出的数值计算结果的比较示意图；
图7为本申请提供的一种有限催化分级隐式数值模拟装置结构示意图；
图8为本申请提供的一种电子设备结构图。
附图中标记如下：
数值获取模块11、优先级设定模块12、参数计算模块13、预估值计算模块14、新值计算模块15、判断模块16、条件不满足模块17、条件满足模块18、电子设备20、处理器21、存储器22、电源23、输入输出接口24、通信接口25、通信总线26、操作系统221、计算机程序222。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当前高温气体表面有限催化边界的计算模拟相对复杂，需要在非平衡流动模拟过程中，耦合迭代求解表面复杂催化反应体系的质量平衡方程组以计算得到各气体组分的质量分数。在此过程中，由于流动参数与表面反应的相互干扰，常规的显式迭代方法稳定较差，很容易发散；常规的隐式处理方法，需要耦合求解各组分质量平衡方程，并处理与催化反应体系相关联的耦合系数矩阵，实现过程较为复杂，影响计算效率。
为了克服上述问题，本申请提供了一种有限催化分级隐式数值模拟方案，能够使得计算各气体组分质量分数的过程更加稳定高效。
参见图1所示，本申请实施例公开了一种有限催化分级隐式数值模拟方法，该方法包括：
步骤S11：非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值。
本申请实施例中，在非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元上的各气体组分质量分数初值作为当前值，获取表面法向次层网格微元上的气体组分质量分数作为辅助计算值。这里，为气体组分总个数；，为催化复合反应总个数。需要指出的是，表面法向次层网格微元上的气体组分质量分数，由高超声速非平衡流动控制方程迭代求解取得；表面微元上气体各组分质量分数初值，是直接获得的表面网格微元上气体组分的质量分数或人为给定的质量分数。
步骤S12：根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级。
本申请实施例中，所述根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级，包括：设置当前优先级n=1，设置所述表面催化复合反应体系为当前体系；将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级，并将所述生成物对应的反应物中气体组分的优先级预设为n+级；所述n+级表示高于n级的优先级；在当前体系中，去除所述生成物的优先级预设为n级的催化复合反应，并将剩余部分重新设置为目标体系；判断所述目标体系是否存在催化复合反应；若存在，则重新设置所述当前优先级n=n+1，并将所述目标体系作为所述当前体系，然后跳转至所述将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级的步骤；若不存在，则对于表面网格微元上所有气体组分，确认优先级预设为a的气体组分的优先级为a，确认优先级预设为a+的气体组分的优先级为a+1，确认没有预设优先级的气体组分的优先级为无优先级。
需要指出的是，设置优先级过程如下所述：第一步，只在生成物中出现的组分预设为1级，其反应物的优先级预设为1+级；第二步，去除生成物为1等级气体组分的催化复合反应；第三步，在剩余反应中，只在生成物中出现的组分预设（或重新预设）为2级，其反应物的优先级预设（或重新预设）为2+级；第四步，进一步去除生成物为2等级气体组分的催化复合反应；第五步，在剩余反应中，只在生成物中出现的组分预设（或重新预设）为3级，其反应物的优先级预设（或重新预设）为3+级；第六步，进一步去除生成物为3等级气体组分的催化复合反应，依此类推，直到所有反应均被去除为止。然后对于预设等级为a的气体组分，其优先级确认为a；对于预设等级为a+的气体组分，其优先级确认为a+1；另外，对于没有预设等级的非电子气体组分，设定其为无优先级；若气体模型中包含电子组分，设定其为无优先级。
需要指出的是，当M设置为2+级时，若在之后的预设中，M被设置为3+级，则M的预设等级为3+，若后续没有第三次设置M，则最终M的预设等级为3+，M的优先级确认为4级。
本申请实施例中，在表面催化模型（包括若干避免催化复合反应）中，化学反应综合效果通常为单向的复合反应。也就是说，对于某一催化复合反应，其反应量受复合反应中反应物的量决定，而与生成物的量无关。因此计算时须先确认反应物的量，然后才能通过该反应计算生成物的量，即生成物的量依赖于反应物的量。通过这一原理，可建立非电子组分之间的依赖关系。在一种具体实施例中，以一种具体的表面催化模型包含的催化复合反应体系为例，说明其依赖关系构成，并确定优先级，该催化复合反应体体系具体包括以下化学反应式：、、、、、、；其中，为氧离子，表示氧原子，表示二氧基正离子，表示氧气，表示碳离子，表示二氧化碳，表示碳原子，表示一氧化碳，具体的依赖关系和优先级如图2所示，为一种优先级设定示意图，其中e表示电子组分，不在图2中具体显示；其中，箭头表示依赖关系，只在生成物出现，设为优先级1，、、和为的反应物，且和又是和的反应物，因此只有和为优先级2，和为优先级3，另外也为和的反应物，且第一次出现，后面不会再作为反应物，因此为优先级3；最后对于优先级3的和的反应物为和，由于和只作为优先级3的和的反应物，因此设置为优先级4。电子组分为无优先级。
步骤S13：根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数。
步骤S14：基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值。
本申请实施例中，基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级从大到小的原则，分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值。
本申请实施例中，采用了隐式计算方法，克服了常规的显式迭代方法稳定差、易发散的缺点，计算稳定好，收敛迅速；另外，各气体组分的分级（按优先级分级）、单项（每个迭代关系重点关注一种气体组分）的隐式计算方法，避免了全耦合隐式方法复杂的矩阵求解过程，编程相对简单，容易实现；进一步的，本申请从表面效应的机理出发，依据复合反应特点及其依赖关系，设定优先级，并按优先级的顺序进行迭代计算，尽可能地保证了各组分之间依赖关系的正确表达，进一步提升了分级、单项隐式迭代计算的有效性和稳定性。
步骤S15：根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值。
本申请实施例中，所述根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值，包括：由所述辅助计算值计算无优先级的气体组分（非电子）的质量分数的预估值；若飞行器表面存在电子组分，则基于电中性原则计算所述电子组分的质量分数的预估值；基于具有优先级的气体组分质量分数的预估值、所述无优先级的气体组分（非电子）的质量分数的预估值以及可能存在的电子组分质量分数的预估值的质量分数归一化，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值。
本申请实施例中，所述由所述辅助计算值计算所述无优先级的气体组分（非电子）的质量分数的所述预估值，具体得到辅助计算值的过程为，对于非电子的无优先级气体组分b，由前述优先级设定可知b不参与任何催化复合反应，因此在无表面质量引射的条件下，其表面梯度为0，即；其中，为表面法向；为非电子的无优先级气体组分质量分数；采用一阶离散，可计算得到得，m+1为迭代次数，为对应表面法向次层网格微元上的气体组分b的质量分数的辅助计算值；为偏导符号；因此，由所述辅助计算值计算得到的所述无优先级的气体组分的质量分数的所述预估值（第m次迭代后得到的），等于对应的所述辅助计算值，利用一阶离散计算得到的所述辅助估计值在多次迭代中保持不变。
本申请实施例中，所述飞行器表面存在电子组分时，所述基于电中性原则计算所述电子组分的质量分数的预估值，具体为：若气体中包含电离组分，则依据电中性原则计算所述电子质量分数的预估值的过程可用以下公式表示：
；
其中，为第s气体组分所带电荷数；表示电子组分分子量；表示有优先级的气体组分分子量；表示第m次迭代后得到的电子质量分数的预估值；表示计算时用到的、和都不包括电子的相应参数。
本申请实施例中，质量分数归一化的方法有很多，在一种具体实施例中，利用下述公式进行归一化处理：
；
其中为表面网格微元上的各气体组分质量分数的新值；下标MAX代表质量分数最大的气体组分，即各组分的质量分数的预估值中最大。具体的，按质量分数的定义，所有气体组分质量分数之和应该为1。由于各组分中最大，当绝对误差相同时，其相对误差最小。因此采用上述公式主要对最大的质量分数进行修正，在绝对误差相同的情况下，相对误差最小，对催化体系的影响最小，迭代稳定理论上最好。
需要指出的是，质量分数归一化主要是对进行修正，使其满足所有气体组分的质量分数之和为1的约束。
步骤S16：判断所述新值是否满足预设收敛条件。
本申请实施例中，所述预设收敛条件为最大相对残差不大于预设精度标准；所述最大相对残差为所有所述气体组分根据预设公式计算的预设相对残差中的最大值；所述预设公式为：
；
；
其中，所述为不同所述气体组分的所述预设相对残差，所述表示不同所述气体组分；所述为所述气体组分的所述新值，所述为所述气体组分的所述当前值；所述为所述气体组分的总个数。
所述最大相对残差为，也即所有所述气体组分根据预设公式计算的预设相对残差中的最大值；其中，为不同所述气体组分分别对应的所述预设相对残差；为从不同所述气体组分分别对应的所述预设相对残差中确定出的最大残差值；为最大值提取的符号。
步骤S17：若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤。
本申请实施例中，当迭代未收敛（不满足所述预设收敛条件）时，迭代步数加1，将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤。
需要指出的是，若，则迭代未收敛时，迭代步数加1，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；为预设精度指标，在流动控制方程求解初期，流场收敛程度低，为减少子迭代次数，提升计算效率，取值相对较大，建议，在此不做具体限定；在流动控制方程求解后期，流场收敛程度高，为提升整体计算精度，取值相对较小，建议，在此不做具体限定。
步骤S18：若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。
需要指出的是，若，则迭代收敛（满足所述预设收敛条件）；所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值，也即得到与流动控制方程组求解相耦合的表面微元各气体组分质量分数。
本申请实施例中，提供一种非平衡流动表面有限催化分级隐式数值模拟方法，从表面效应的机理出发，依据表面催化复合反应特点及其依赖关系，构建分级隐式算法，结合质量守恒定律和电中性原理，实现高温非平衡流动有限催化条件下表面气体组分的有效计算。本申请实施例中，利用了表面有限催化模拟，能较为精细地考虑表面材料催化特性及其催化效应，数值模拟保真性高。
可见，本申请非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；判断所述新值是否满足预设收敛条件；若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。由此可见，本申请利用分级的隐式迭代方法计算质量分数，避免了使用显示迭代方法，也避免了全耦合隐式方法复杂的求解过程，使得计算过程更加稳定高效。
参见图3所示，本申请实施例公开了一种具体的有限催化分级隐式数值模拟方法，该方法包括：
步骤S21：非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值。
本申请实施例中，在高超声速非平衡流动控制方程求解过程中，在获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值的同时，获取表面网格微元材料特性参数，也即，获取表面催化复合系数、表面网格微元上的温度和压强；在高超声速非平衡流动控制方程迭代求解过程中，表面网格微元上的温度、压强等状态参数可由温度边界条件、压强边界条件等计算取得；表面催化复合系数是飞行器表面材料的固有属性，受材料种类、催化反应特征、氧化程度、粗糙度、表面温度、压强等因素影响，可由试验测量、曲线拟合或人为给定等方式取得。
步骤S22：根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级。
其中，关于步骤S22的更加具体的处理过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
步骤S23：基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数。
本申请实施例中，基于（第m-1次迭代后得到的）当前值、表面气体温度（表面网格微元上的温度）和压强，并利用气体状态方程计算得到气体密度，其中，所述为第m次迭代表面微元气体各组分质量分数，m为迭代次数，当m=1时，，也即为气体组分质量分数初值；根据所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数的过程可利用的气体组分扩散系数的计算模型有很多（为第m次迭代各气体组分的质量扩散系数），在一种具体实施例中，如下所示：假设施密特数（Schmidt）为常数的基础上，非电子组分的扩散系数可由以下公式计算：
；
其中，为气体黏性系数，为Schmidt数，分子和原子的，离子的；为气体摩尔分数，可由质量分数计算得到；为m-1次迭代后非电子组分的扩散系数。
本申请实施例中，所述基于所述催化复合系数计算所述催化复合反应分别对应的催化反应速率的过程的催化反应速率计算模型有很多，不同模型计算方法不一样，（为第m次迭代第r个催化反应的速率）。在一种具体实施例中，基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；基于气体分子运动碰撞理论和表面催化复合系数的定义，第个催化反应的速率可写为：
；
其中，；为气体常数，和分别为第个催化复合反应催化系数和重粒子反应物的分子量，例如，催化复合反应，为的分子量。
步骤S24：根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分；在表面催化复合反应体系中，选择所述当前气体组分参与的若干目标催化复合反应；基于所述若干目标催化复合反应的所述催化反应速率，计算当前气体组分催化反应质量生成率。
在一种具体实施例中，对于具有优先级的气体组分A，其含量受其参与的催化复合反应影响，假设参与的催化复合反应为：
；
其中，和分别表征了一类“A作为反应物”和另一类“A作为生成物”参与的催化复合反应的通式。这两类反应的个数均不确定，可以是0个、1个或多个，由具体的催化模型决定。例如，当A在催化模型中只作为生成物出现，类复合反应的数目为零；当A在催化模型中只作为反应物出现，类复合反应的数目为零。B代表除A、C以外的其它一种或多种气体组分；C代表除A、B以外的其它一种气体组分；D和F代表除A以外的其它两种或多种气体组分。按前述优先级设定，如果C、D、F为非电子组分时，则组分D和F的优先级高于A，组分C的优先级低于A。
需要指出的是，对于类反应，组分A的质量生成率可写为：；为组分A的质量分数；对于类反应，组分A的质量生成率可写为：；由此，气体组分A的总质量生成率可写为：；和分别为类和类反应质量生成率函数，其形式由具体采用催化复合反应计算模型决定，其大小受催化反应速率、反应物的量决定。由于催化反应速率，主要受温度影响，受组分质量分数的子迭代影响较小或者不受组分影响，因此不将其列入质量生成率函数的自变量体系。因此重点关注反应物的量的影响，写为，写为。
步骤S25：基于所述当前气体组分的所述扩散系数、所述质量生成率和所述辅助计算值，隐式离散所述当前气体组分的表面质量守恒方程，计算得到所述当前气体组分的质量分数的预估值；跳转至所述根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分的步骤，直至得到所有具有优先级的气体组分质量分数的所述预估值。
需要指出的是，对于A组分，其质量分数变化需满足其表面微元质量守恒方程：
；
其中，为表面法向，为A的质量扩散系数。
需要指出的是，若D、F为非电子组分时，D和F的优先级高于A。可以分两种情况，进行隐式离散：
第一种情况为：B、D和F的优先级均高于A时，A的表面微元质量守恒方程，可以采用以下方式隐式离散：；其中，为对应表面法向次层网格微元上A的质量分数，为表面法向次层网格与表面网格之间的间距，为第m次子迭代A的质量扩散系数；为气体组分D在第m次迭代后得到的质量分数；为气体组分F在第m次迭代后得到的质量分数。由于B、D、F的优先级高于A，因此、和会被先计算出来，为已知量。此时，可将函数近似写成一阶taylor展开形式：；相应的的近似写成一阶taylor展开形式的方式与相似；将和的一阶taylor展开形式代入隐式离散的表面微元质量守恒方程，整理可得到气体组分A的质量分数迭代计算关系式：；其中，为函数关于自变量的一阶偏导数，即；
第二种情况为：若B的优先级不高于A，用代替上述迭代关系式中的；当D、F中优先级不同时高于A时，由前述优先级设定可知，D、F中必然存在电子组分（电子组分为无优先级），即上述迭代关系式中存在电子的质量分数，则用代替上述迭代关系中的。
本申请实施例中，所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级高于所述当前气体组分的优先级的气体组分的质量分数采用所述预估值；所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级不高于所述当前气体组分的优先级的气体组分和无优先级的气体组分的质量分数采用所述当前值。需要指出的是，D和F的优先级均高于A，B的优先级不高于A时，A对应的表面质量守恒方程中使用的D和F的质量分数为D和F的预估值，使用的B的质量分数为B的当前值。
基于所述当前气体组分的所述扩散系数、所述质量生成率和所述辅助计算值，隐式离散所述当前气体组分的表面质量守恒方程计算得到所述当前气体组分（A）的质量分数的预估值后，跳转至所述根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分的步骤，以计算其它气体组分的预估值，直至得到所有具有优先级的气体组分质量分数的所述预估值。
步骤S26：根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值。
其中，关于步骤S26的更加具体的处理过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
步骤S27：判断所述新值是否满足预设收敛条件。
其中，关于步骤S27的更加具体的处理过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
步骤S28：若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数的步骤。
其中，关于步骤S28的更加具体的处理过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
步骤S29：若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。
其中，关于步骤S29的更加具体的处理过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
本申请实施例中，所述有限催化分级隐式数值模拟方法适用面广，普遍适用于各种气体模型（包括但不限于地球大气、火星大气、高温燃气的电离/无电离气体模型）、各种表面催化模型（包括但不限于各类表面催化速率计算模型、各类催化复合反应体系）。
可见，本申请非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数；根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分；在表面催化复合反应体系中，选择所述当前气体组分参与的若干目标催化复合反应；基于所述若干目标催化复合反应的所述催化反应速率，计算当前气体组分催化反应质量生成率；基于所述当前气体组分的所述扩散系数、所述质量生成率和所述辅助计算值，分级隐式离散所述当前气体组分的表面质量守恒方程，计算得到所述当前气体组分的质量分数的预估值；跳转至所述根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分的步骤，直至得到所有具有优先级的气体组分质量分数的所述预估值；根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；判断所述新值是否满足预设收敛条件；若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数的步骤；若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。由此可见，本申请利用分级隐式迭代的方法，按优先级分级计算质量分数，避免了使用显示迭代方法，也避免了全耦合隐式方法复杂的求解过程，使得计算过程更加稳定高效。
以球头非平衡有限催化的模拟工况为例，说明本申请的应用效果。具体的工况情况为：头半径5.08cm；来流温度970.0K，来流振动温度2800.0K，来流压强96.12Pa，来流速度5630.0m/s；来流组分质量分数为：氮气62.74%，氧原子26.22%和氮原子11.04%；表面温度Tw为1000K。表面催化主要考虑氮原子（N）和氧原子（O）复合反应以及电离组分的7个复合反应如表一所示：
表一
其中，表示催化反应个数。
根据表一中的化学反应式得到非电子气体组分的优先级设定如图4所示，为一种优先级设定示意图，表示氧气，表示氮气，表示一氧化氮，表示二氧基正离子，表示氧离子，表示氧原子，表示亚氮酰离子，表示氮原子，表示氮离子，表示氮气分子缺少一负电子构成的正离子；、和只作为生成物，因此为优先级1，和为的反应物，和为的反应物，为的反应物，且之后不会作为反应物出现，因此、、、、和都为优先级2，为的反应物，为的反应物，且之后不会作为反应物出现，因此和为优先级3。采用本申请中的分级隐式迭代的方式可计算得到不同催化系数条件驻点线氮气质量分数，如图5所示，为一种不同催化系数条件驻点线氮气质量分数示意图，图中，表示催化复合系数，横坐标为距离（距离飞行器表面的距离），纵坐标为驻点氮气质量分数，距离为0时，随催化复合系数增大，驻点氮气质量分数迅速增大；其中，完全非催化（NCW）对应的曲线为完全非催化下驻点氮气质量分数随距离的变化情况；完全催化（FCW）对应的曲线为完全催化下驻点氮气质量分数随距离的变化情况；催化复合系数为0.0001（）对应的曲线为催化复合系数为0.0001下驻点氮气质量分数随距离的变化情况；催化复合系数为0.001（）对应的曲线为催化复合系数为0.001下驻点氮气质量分数随距离的变化情况；催化复合系数为0.01（）对应的曲线为催化复合系数为0.01下驻点氮气质量分数随距离的变化情况；催化复合系数为0.1（）对应的曲线为催化复合系数为0.1下驻点氮气质量分数随距离的变化情况；综上所述，其变化在完全非催化（NCW）和完全催化（FCW）之间，中间存在催化复合系数为0.0001、0.001、0.01和0.1的情况，都不超出非催化（NCW）和完全催化（FCW）之间的范围，计算结果符合理论预期；另外，如图6所示（图6纵坐标英文（Normallized Heat Flux）可翻译为归一化热流，Q为归一化热流标识，QFCW为完全催化的归一化热流标识，横坐标为催化复合系数），为不同催化系数条件下驻点归一化热流与现有方法计算出的的数值计算结果的比较示意图，可以看出，不同催化条件下驻点计算热流及其分布变化规律与现有方法计算出的的数值计算结果（Computation）几乎完全一致；其中Present表示不同催化条件下驻点计算热流及其分布变化规律，Ref.表示现有方法计算出的计算结果。
参见图7所示，本申请实施例公开了一种有限催化分级隐式数值模拟装置，包括：
数值获取模块11，用于非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；
优先级设定模块12，用于根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；
参数计算模块13，用于根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；
预估值计算模块14，用于基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；
新值计算模块15，用于根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；
判断模块16，用于判断所述新值是否满足预设收敛条件；
条件不满足模块17，用于若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；
条件满足模块18，用于若满足所述预设收敛条件，所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。
其中，关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
可见，本申请非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；判断所述新值是否满足预设收敛条件；若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。由此可见，本申请利用分级的隐式迭代方法计算质量分数，避免了使用显示迭代方法，也避免了全耦合隐式方法复杂的求解过程，使得计算过程更加稳定高效。
进一步的，本申请实施例还提供了一种电子设备，图8是根据一示例性实施例示出的电子设备20结构图，图中的内容不能认为是对本申请的使用范围的任何限制。
图8为本申请实施例提供的一种电子设备20的结构示意图。该电子设备20，具体可以包括：至少一个处理器21、至少一个存储器22、电源23、输入输出接口24、通信接口25和通信总线26。其中，所述存储器22用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器21加载并执行，以实现前述任意实施例公开的有限催化分级隐式数值模拟方法的相关步骤。
本实施例中，电源23用于为电子设备20上的各硬件设备提供工作电压；通信接口25能够为电子设备20创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本申请技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口24，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。
另外，存储器22作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，存储器22作为可以包括作为运行内存的随机存取存储器和用于外部内存的存储用途的非易失性存储器，其上的存储资源包括操作系统221、计算机程序222等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。
其中，操作系统221用于管理与控制源主机上电子设备20上的各硬件设备以及计算机程序222，操作系统221可以是Windows、Unix、Linux等。计算机程222除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备20执行的有限催化分级隐式数值模拟方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。
本实施例中，所述输入输出接口24具体可以包括但不限于USB接口、硬盘读取接口、串行接口、语音输入接口、指纹输入接口等。
进一步的，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的有限催化分级隐式数值模拟方法。
关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
这里所说的计算机可读存储介质包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、内存、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、磁碟或者光盘或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质。其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述有限催化分级隐式数值模拟方法。关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的有限催化分级隐式数值模拟方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，包括：
非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；
根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；
根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；
基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；
根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；
判断所述新值是否满足预设收敛条件；
若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；
若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。
2.根据权利要求1所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级，包括：
设置当前优先级n=1，设置所述表面催化复合反应体系为当前体系；
将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级，并将所述生成物对应的反应物中气体组分的优先级预设为n+级；所述n+级表示高于n级的优先级；
在当前体系中，去除所述生成物的优先级预设为n级的催化复合反应，并将剩余部分重新设置为目标体系；
判断所述目标体系是否存在催化复合反应；
若存在，则重新设置所述当前优先级n=n+1，并将所述目标体系作为所述当前体系，然后跳转至所述将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级的步骤；
若不存在，则对于表面网格微元上所有气体组分，确认优先级预设为a的气体组分的优先级为a，确认优先级预设为a+的气体组分的优先级为a+1，确认没有预设优先级的气体组分的优先级为无优先级。
3.根据权利要求1所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数，包括：
基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；
基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；
基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数。
4.根据权利要求3所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值，包括：
根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分；
在表面催化复合反应体系中，选择所述当前气体组分参与的若干目标催化复合反应；
基于所述若干目标催化复合反应的所述催化反应速率，计算当前气体组分催化反应质量生成率；
基于所述当前气体组分的所述扩散系数、所述质量生成率和所述辅助计算值，隐式离散所述当前气体组分的表面质量守恒方程，计算得到所述当前气体组分的质量分数的预估值；
跳转至所述根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分的步骤，直至得到所有具有优先级的气体组分质量分数的所述预估值。
5.根据权利要求4所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，还包括：
所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级高于所述当前气体组分的优先级的气体组分的质量分数采用所述预估值；
所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级不高于所述当前气体组分的优先级的气体组分和无优先级的气体组分的质量分数采用所述当前值。
6.根据权利要求2所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值，包括：
由所述辅助计算值计算无优先级的气体组分的质量分数的预估值；
若飞行器表面存在电子组分，则基于电中性原则计算所述电子组分的质量分数的预估值；
基于具有优先级的气体组分质量分数的预估值、所述无优先级的气体组分的质量分数的预估值以及可能存在的电子组分质量分数的预估值的质量分数归一化，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值。
7.根据权利要求1所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述预设收敛条件为最大相对残差不大于预设精度标准；所述最大相对残差为所有所述气体组分根据预设公式计算的预设相对残差中的最大值；所述预设公式为：
；
；
其中，所述为不同所述气体组分的所述预设相对残差，所述表示不同所述气体组分；所述为所述气体组分的所述新值，所述为所述气体组分的所述当前值；所述为所述气体组分的总个数。
8.一种有限催化分级隐式数值模拟装置，其特征在于，包括：
数值获取模块，用于非平衡流动数值模拟中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；
优先级设定模块，用于根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；
参数计算模块，用于根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；
预估值计算模块，用于基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；
新值计算模块，用于根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；
判断模块，用于判断所述新值是否满足预设收敛条件；
条件不满足模块，用于若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；
条件满足模块，用于若满足所述预设收敛条件，所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器；其中，所述处理器执行所述存储器中保存的计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的有限催化分级隐式数值模拟方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的有限催化分级隐式数值模拟方法。
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