CN116562059B - 一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法 - Google Patents
一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116562059B CN116562059B CN202310833642.9A CN202310833642A CN116562059B CN 116562059 B CN116562059 B CN 116562059B CN 202310833642 A CN202310833642 A CN 202310833642A CN 116562059 B CN116562059 B CN 116562059B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- total
- sub
- reaction
- library
- catalytic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000013507 mapping Methods 0.000 title claims abstract description 58
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 200
- 238000003541 multi-stage reaction Methods 0.000 claims abstract description 137
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 70
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 119
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 58
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 25
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 claims description 6
- 238000006757 chemical reactions by type Methods 0.000 claims description 3
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 2
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 5
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 3
- 108091026890 Coding region Proteins 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000012854 evaluation process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F16/00—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor
- G06F16/20—Information retrieval; Database structures therefor; File system structures therefor of structured data, e.g. relational data
- G06F16/23—Updating
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/10—Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Geometry (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，包括：S1：构建催化复合反应总库；S2：构建基础映射总列表；S3：总库和总表的更新，读入用户表面催化效应的数值模拟需求，根据相应需求，完成总库和总表的更新；S4：构建映射子表，根据用户表面催化效应的数值模拟需求，从总表中抽取相应信息；S5：构建催化复合反应子库，基于用户表面催化效应的数值模拟需求，结合子表和总库，构建子库；S6：完成飞行器表面催化效应的数值模拟，通过子表间接访问总表、总库和子库，进而得到所需催化复合反应信息，实现满足用户需求的飞行器表面催化效应的数值模拟。通过本发明方法构建了更加高效、灵活的表面催化反应模型体系。
Description
技术领域
本发明属于数值模拟计算和气动热防护领域，一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法。
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。激波波后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。因此飞行器表面催化效应对非平衡流动及气动热防护的影响问题，一直受到人们的广泛关注。
在飞行器表面催化效应影响的精准预测与评估过程，催化反应模型的构建是数值模拟的关键。不同条件下数值模拟采用的表面催化反应模型，各不相同：不同的表面材料，需要不同的表面催化反应模型；即使是相同的表面材料，不同的流场气体组成，需要的表面催化反应模型也不同。由于实际飞行器表面材料种类很多，不同飞行条件(或飞行环境)下飞行器面临的气体组成（或气体介质）种类也很多，二者的自由组合，由此形成表面催化反应模型种类很多。如果采用传统“逐一穷举”构建的方法，工作量较大。随着未来飞行器的发展，其面临的表面材料与气动环境的耦合更加复杂且具有不确定性，所需的表面催化反应模型随材料、环境变化而变化，需要随时调整。如果采用传统 “穷举”的构建方法，增加新的催化反应模型模块时，低技术含量的重复操作较多，且调整相对困难。
发明内容
本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，通过本发明方法构建了更加高效、灵活的表面催化反应模型体系。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，所述高超声速飞行表面催化反应模型构建方法包括如下步骤：
S1：构建催化复合反应总库，基于飞行器催化效应模拟涉及的各种催化复合反应模型，提取现催化复合反应，合并其中相同的化学反应，保留其中有差异的化学反应，经编序之后，形成总库，催化复合反应总库简称为总库；
S2：构建基础映射总列表，记录总库中涉及的各催化复合反应与各气体组分之间的映射关系形成基础映射总列表，基础映射总列表简称为总表；
S3：总库和总表的更新，读入用户表面催化效应的数值模拟需求，根据相应需求，完成总库和总表的更新；
S4：构建映射子表，根据用户表面催化效应的数值模拟需求，从总表中抽取相应信息，构建获得子表，映射子表简称为子表；
S5：构建催化复合反应子库，基于用户表面催化效应的数值模拟需求，结合子表和总库，构建子库，催化复合反应子库简称为子库；
S6：完成飞行器表面催化效应的数值模拟，通过子表间接访问总表、总库和子库，进而得到所需催化复合反应信息，实现满足用户需求的飞行器表面催化效应的数值模拟。
根据一个优选的实施方式，所述总库包括各催化复合反应在总库中的序号、反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数。
根据一个优选的实施方式，步骤S2具体包括：对总库中催化复合反应的各种气体组分进行编序，依据各气体组分与各催化复合反应之间的反应物、生成物关系，建立各催化复合反应与各气体组分之间的总表。
根据一个优选的实施方式，所述总表的内容包括：各气体组分在总表中的序号、识别名，以及各气体组分作为反应物参与的所有催化复合反应在总库中的序号，以及各气体组分作为生成物参与的所有催化复合反应在总库中的序号。
根据一个优选的实施方式，步骤S3中总表及总库的更新方法包括：
当总表中未包含用户流场模拟涉及的气体组分，则在总表中，按序填入其中未被包含的气体组分的序号和识别名；
当总库未包含飞行器表面发生的催化复合反应，则在总库中，按序添加总库中未被包含的催化复合反应，补充相关数据，包括：催化复合反应的序号、反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数；
同时在总表中，基于相应催化复合反应的反应物和生成物关系，按序补充各反应与气体组分之间的关联数据。
根据一个优选的实施方式，步骤S4中子表的构建方法包括：按用户流场数值模拟涉及的所有气体组分顺序，依次从总表中提取信息，形成映射子表。
根据一个优选的实施方式，所述子表的内容包括：气体组分的识别名、在总表中的序号，以及在子表中的编号；其中，气体组分在子表中的编号的顺序与流场数值模拟采用的气体组分顺序一致；通过识别名，依次获得各气体组分在总表中的序号，记录子表和总表之间的信息映射关系。
根据一个优选的实施方式，所述子库的构建方法包括：对于子表中的每一个气体组分，从总库中，逐一选取该气体组分参与的每一个催化复合反应，判断该反应是否已存在于子库中；若不存在，则在子库中按顺序添加该反应的映射信息，并结合用户需求，记录飞行器表面材料关于该反应的催化特性；若存在，则进行下一个催化复合反应的判断，直至完成子表中所有气体组分涉及的各催化复合反应的判断与添加。
根据一个优选的实施方式，所述子库的内容包括：催化复合反应在子库的编号、在总库中的序号、催化复合反应的催化复合系数。
根据一个优选的实施方式，步骤S6包括：
进行飞行器表面催化效应的数值模拟时，求解各气体组分的在飞行器表面的质量平衡方程的过程中，针对参与反应气体组分，
首先，通过子表，得到它在总表中的序号，依据该总表序号，在总表中获取该气体组分在总库中作为反应物与生成物的所有催化复合反应的相关信息；
然后基于获得的信息，在总库和子库获取相应催化复合反应的具体参数；
最后基于获得的催化复合反应的具体参数，计算该气体组分的催化复合反应质量生成率，进而完成以质量平衡方程的求解为核心的飞行器表面催化效应数值模拟。
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：
（1）通过“催化复合反应总库”、“基础映射总列表”的构建，避免了传统的多种催化反应模型逐一“穷举”构建方法工作量较大问题；
（2）通过“总库、总表更新”，可以较为方便的实现新的催化反应模型添加，用户可以在实际应用中，不断地补充新的表面催化反应，使总库、总表趋于完备，具有较好延续性；
（3）通过“当前映射子表”和“当前催化复合反应子库”，可以很方便的完成用户需要的表面催化反应模型的使用，无需直接访问相对庞大的“催化复合反应总库”、“基础映射总列表”；
（4）当用户需要改变飞行器流场数值模拟的气体介质或表面材料的催化特性时，用户仅需访问（或修改）子表和子库，就可以满足用户数值模拟所需的气体组分和表面催化特性参数的输入变化需求；
（5）在当前映射子表中，气体组分顺序与飞行器流场数值模拟采用的气体组分顺序一致，从而保证流场与壁面催化效应耦合模拟时，各气体组分信息的高效传递和处理方案的一致性，减小代码复杂度，提升效率；
（6）该方法适用面广，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）。
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。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
本发明公开了一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，所述高超声速飞行表面催化反应模型构建方法包括如下步骤。
步骤S1：构建催化复合反应总库，基于飞行器催化效应模拟涉及的各种催化复合反应模型，提取现催化复合反应，合并其中相同的化学反应，保留其中有差异的化学反应，经编序之后，形成总库，催化复合反应总库简称为总库。
其中，总库中记录的数据，包括但不限于各个催化复合反应在总库中的序号（简称总库序号）、反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数等；其中反应速率模型参数，其个数和形式不确定，由具体采用速率计算模型决定。
现有飞行器催化效应模拟涉及的各种催化复合反应模型，可以由各种公开资料获得，也可以由试验或理论得到。
步骤S2：构建基础映射总列表，记录总库中涉及的各催化复合反应与各气体组分之间的映射关系形成基础映射总列表，基础映射总列表简称为总表。
其中，基础映射总列表记录的数据，包括但不限于各气体组分的在总表中序号（简称总表序号）、识别名、该组份作为反应物参与的所有催化复合反应在总库中的序号、该组份作为生成物参与的所有催化复合反应在总库中的序号等。
通过催化复合反应总库、基础映射总列表的构建，避免了传统的多种催化反应模型逐一“穷举”构建方法工作量较大问题。
步骤S3：总库和总表的更新，读入用户表面催化效应的数值模拟需求，根据相应需求，完成总库和总表的更新。
更新总库和总表的方法很多，相应更新方法包括但不限于此：
若总表中未包含用户流场模拟涉及的所有气体组分，则在总表中，按序填入其中未被包含的气体组分的序号和识别名；
若总库未包含飞行器表面发生的所有催化复合反应，则在总库中，按序添加为其中未被包含的催化复合反应，补充其相关数据，包括但不限于催化复合反应的序号、反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数（可以有多个或多种）等，同时在总表中，按这些催化复合反应的反应物和生成物关系，按序补充这些反应与气体组分之间的关联数据。
通过总库、总表更新，可以较为方便的实现新的催化反应模型添加，用户可以在实际应用中，不断地补充新的表面催化反应，使总库、总表趋于完备，具有较好延续性。
进一步地，用户在进行飞行器表面催化效应数值模拟时（补充耦合模拟的介绍），通常会有两方面需求：一是飞行器飞行的气体环境，主要参数为流场模拟涉及的各气体组分；二是飞行器表面材料的催化特征，主要涉及飞行器表面发生催化复合反应。这两个需求是相互关联的：一方面飞行器表面发生催化复合反应的反应物，通常来源于流场中原子、离子等组分；另一方面如果催化复合反应的生成物参与了流场质量、动量和能量交换，影响流场的数值模拟结果，那么这些生成物也是流场模拟涉及的气体组分。
步骤S4：构建映射子表，根据用户表面催化效应的数值模拟需求，从总表中抽取相应信息，构建获得子表，映射子表简称为子表。
子表用来保存当前用户进行飞行器流场与表面催化效应耦合数值模拟（简称数值模拟）所需气体组分信息。构建子表的方法很多，本发明仅介绍其中一种，本发明包含这种方法但不限于此：
按用户流场模拟涉及的所有气体组分顺序，依次从总表中提取信息，形成映射子表；子表中的主要信息，包括但不限于气体组分的新编号（在子表中的编号）、识别名及其在总表中的序号等；气体组分的新编号顺序，与飞行器流场数值模拟采用的气体组分顺序一致，从而保证流场与壁面催化效应耦合模拟时，各气体组分信息的高效传递和处理方案的一致性，减小代码复杂度，提升效率；通过识别名，依次获得各气体组分在总表中的序号，记录子表和总表之间的信息映射关系。
步骤S5：构建催化复合反应子库，基于用户表面催化效应的数值模拟需求，结合子表和总库，构建子库，催化复合反应子库简称为子库。
子库主要用于保存飞行器表面材料催化特性信息，由于表面材料催化特性与具体的化学反应相关，因此需针对当前用户催化效应模拟所需的每一个催化复合反应进行记录。子库与总库的主要区别在于：总库记录的是在飞行器表面可能发生的催化复合反应的集合，因此总库的记录较为全面、通用，并不限定于某种具体的飞行器表面材料；而子库则主要负责记录用户当前模拟所需特定飞行器表面材料的催化特性。
构建子库的方法很多，本发明仅介绍其中一种，本发明包含这种方法但不限于此：
对于子表中的每一个气体组分，从总库中，逐一选取该气体组分参与的每一个催化复合反应，判断该反应是否已存在于子库中；若不存在，则在子库中按顺序添加该反应的映射信息，并结合用户需求，记录飞行器表面材料关于该反应的催化特性；如存在，则进行下一个催化复合反应的判断，直至完成子表中所有气体组分涉及的所有催化复合反应的判断与添加。子库中的主要信息，包括但不限于催化复合反应的新编号、该催化复合反应在催化复合反应总库中的序号、该催化复合反应的催化复合系数。
催化复合系数，是飞行器表面材料物理属性，表征了表面材料对某一化学反应固有的催化能力，可以有多个或多种形式。
通过“映射子表”和“催化复合反应子库”，可以很方便的完成用户需要的表面催化反应模型的使用，无需直接访问相对庞大的“催化复合反应总库”、“基础映射总列表”。
步骤S6：完成飞行器表面催化效应的数值模拟，通过子表间接访问总表、总库和子库，进而得到所需催化复合反应信息，实现满足用户需求的飞行器表面催化效应的数值模拟。
具体地，飞行器表面催化效应数值模拟的核心，是求解各气体组分的在飞行器表面的质量平衡方程，在这一过程中，需要得到各气体组分的催化复合反应质量生成率。
对于每一个气体组分，通过子表，得到它在总表中的序号，依据该总表序号，在总表中获取该气体组分在总库中作为反应物与生成物的所有催化复合反应的相关信息；然后基于这些信息，在总库和子库获取这些催化复合反应的具体参数，包括但不限于反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数以及催化复合系数；最后基于这些催化复合反应的具体参数，计算该气体组分的催化复合反应质量生成率，进而完成以质量平衡方程的求解为核心的飞行器表面催化效应数值模拟。
当用户需要改变飞行器流场数值模拟的气体介质或表面材料的催化特性时，用户仅需访问（或修改）子表和子库，就可以满足用户数值模拟所需的气体组分和表面催化特性参数的输入变化需求。
在当前映射子表中，气体组分顺序与飞行器流场数值模拟采用的气体组分顺序一致，从而保证流场与壁面催化效应耦合模拟时，各气体组分信息的高效传递和处理方案的一致性，减小代码复杂度，提升了效率。
本发明方法适用面广，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）。
实施例
以高超飞行器再入飞行热喷干扰条件下定催化复合系数0.01的表面有限催化模拟为实例，介绍本发明的具体应用，本发明可用于该实例，但不限于该实例。
步骤1、构建催化复合反应总库（简称总库）。
常规高超飞行器再入飞行环境主要为地球大气环境。在地球大气条件下，飞行器表面常见的催化复合反应模型包括高温空气5组分催化复合反应模型、7组分催化复合反应模型、9组分催化复合反应模型和11组分催化复合反应模型，这些模型包含的主要催化复合反应具体如下：
（1）高温空气5组分（O2, N2, NO, O, N,）催化复合反应模型，包含反应：
（2）高温空气7组分（O2, N2, NO, O, N, NO+, e）催化复合反应模型：
（3）高温空气9组分（O2, N2, NO, O, N, NO+, e、CO2, CO）催化复合反应模型：
（4）高温空气11组分（O2, N2, NO, O, N, NO+, e, O2 +, N2 +, O+, N+）催化复合反应模型：
基于上述四个催化复合反应模型，构建的催化复合反应总库，可以是以下形式但不限于此，该形式只是一种示意表达，不代表总库在计算机仿真系统中数据结构或存储形式。
表1 催化复合反应总库
注：各催化复合反应的反应速度的计算，本实例采用基于分子运动碰撞理论的简化模型，在这种条件下，影响反应速度的主要参数是反应物较重粒子的分子量（或原子量）。因此表1中“反应速率模型参数”记录的是反应物较重粒子的分子量（或原子量）。
步骤2、构建基础映射总列表（简称总表）
将参与总库催化复合反应的各种气体组分进行编序，依据各气体组分与各催化复合反应之间的反应物、生成物关系，建立各催化复合反应与各气体组分之间的基础映射总列表；基础映射总列表记录的数据，包括但不限于各气体组分的在总表中序号（简称总表序号）、识别名、该组份作为反应物参与的所有催化复合反应在总库中的序号、该组份作为生成物参与的所有催化复合反应在总库中的序号等；
本实例地球大气涉及的气体组分主要包括O2, N2, NO, O, N, NO+, e, O2 +, N2 +,O+, N+，CO2, CO的13组分，由于基础映射列表对气体组分顺序没有严格限定，因此可以是以下形式但不限于此，该形式只是一种示意表达，不代表总表在计算机仿真系统中数据结构或存储形式。
表2 基础映射总列表
步骤3、总库、总表更新
本实例模拟对象为再入飞行热喷干扰条件下的高超飞行器。这种条件下，首先需考虑常规的高温空气组分，这里选用较为常用7组分空气模型（O2, N2, NO, O, N, NO+,e）；其次需要模拟发动机喷管喷出的高温燃气，一般包含CO2、CO、H2O、OH、H和H2等组分。这些高温燃气会与高温空气混合，在飞行器周围形成高温绕流流场。在评估该飞行器表面催化效应对气动热环境的影响时，不仅要考虑高温空气组分参与壁面催化反应，而且要考虑高温燃气发生的壁面催化反应。因此，本实例需要采用的催化模型为：考虑气体组分O2、N2、NO、O、N、NO+、e、CO2、CO、H2O、OH、H2和H的催化复合反应模型，其主要催化复合反应包括：
通过总库、总表与用户需要采用的催化模型比较，可以看出，总表中缺少H2O、OH、H2和H五个气体组分，总库中缺少、/>和/>三个催化复合反应。因此在总表中，补充H2O、OH、H2和H气体组分的序号与识别名；在总库中，逐一添加/>、和/>，记录其相关数据，同时在基础映射总列表中补充这些反应与气体组分的关联数据。
总库更新为以下形式但不限于表3所示。
表3更新后催化复合反应总库
总表更新为以下形式但不限于表4。
表4更新后基础映射总列表
步骤4、构建当前映射子表（简称子表）
流场数值模拟气体组分及其顺序，由用户根据流场模拟需求给定，通常与基础映射总列表不一致。这里给出本实例流场数值模拟气体组分及其顺序需求：O2、N2、NO、O、N、NO+、CO2、CO、H2O、OH、H2和H、e。
按用户流场模拟涉及的所有气体组分顺序，依次从总表中提取信息，形成映射子表；子表中的主要信息，包括但不限于气体组分的新编号、识别名及其在总表中的序号等；当前映射子表中气体组分的新编号顺序，与本实例流场数值模拟采用的气体组分顺序一致，从而保证流场与壁面催化效应耦合模拟时，各气体组分信息的高效传递和处理方案的一致性，减小代码复杂度，提升效率；通过识别名，依次获得各气体组分在总表中的序号，记录子表和总表之间的信息映射关系。
本实例子表可写为以下形式但不限表5。
表5映射子表
步骤5、构建当前映射子库（简称子库）；
子库主要用于保存飞行器表面材料催化特性信息，由于表面材料催化特性与具体的化学反应相关，因此需针对当前用户催化效应模拟所需的每一个催化复合反应进行记录。子库与总库的主要区别在于：总库记录的是在飞行器表面可能发生的催化复合反应的集合，因此总库的记录较为全面、通用，并不限定于某种具体的飞行器表面材料；而子库则主要负责记录用户当前模拟所需特定飞行器表面材料的催化特性。
对于子表中的每一个气体组分，从总库中，逐一选取该气体组分参与的每一个催化复合反应，判断该反应是否已存在于子库中；若不存在，则在子库中按顺序添加该反应的映射信息，并结合用户需求，记录飞行器表面材料关于该反应的催化特性；如存在，则进行下一个催化复合反应的判断，直至完成子表中所有气体组分涉及的所有催化复合反应的判断与添加。子库中的主要信息，包括但不限于催化复合反应的新编号、该催化复合反应在催化复合反应总库中的序号、该催化复合反应的催化复合系数；催化复合系数，是飞行器表面材料物理属性，表征了表面材料对某一化学反应固有的催化能力，可以有多个或多种形式。
本实例给定了表面催化复合系数0.01，并没有指定化学反应类型，即对于该实例涉及的所有催化复合反应的催化复合系数都是0.01，因此当前催化复合反应子库可可写为以下形式但不限于表6所示。
表6催化复合反应子库
步骤6：通过子表，间接访问总表、总库和子库，进而得到所需催化复合反应信息，实现满足用户需求的飞行器表面催化效应的数值模拟。
飞行器表面催化效应数值模拟的核心，是求解各气体组分的在飞行器表面的质量平衡方程，在这一过程中，需要得到各气体组分的催化复合反应质量生成率。
本实例开展高超飞行器再入飞行热喷干扰条件下定催化复合系数0.01的表面有限催化模拟，在每一个气体组分的表面质量守恒方程的求解过程中，仅需要通过子表就可以得到该方程求解所需表面催化复合反应的各种信息，进而实现催化过程计算模拟，具体过程为：
通过子表，得到它在总表中的序号，依据该总表序号，在总表中获取该气体组分在总库中作为反应物与生成物的所有催化复合反应的相关信息；然后基于这些信息，在总库和子库获取这些催化复合反应的具体参数，包括但不限于反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数以及催化复合系数；最后基于这些催化复合反应的具体参数，计算该气体组分的催化复合反应质量生成率，进而完成以质量平衡方程的求解为核心的飞行器表面催化效应数值模拟。
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 (5)
1.一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，其特征在于，所述高超声速飞行表面催化反应模型构建方法包括如下步骤：
S1：构建催化复合反应总库，基于飞行器催化效应模拟涉及的各种催化复合反应模型，提取现催化复合反应，合并其中相同的化学反应，保留其中有差异的化学反应，经编序之后，形成总库，催化复合反应总库简称为总库；
S2：构建基础映射总列表，记录总库中涉及的各催化复合反应与各气体组分之间的映射关系形成基础映射总列表，基础映射总列表简称为总表；
S3：总库和总表的更新，读入用户表面催化效应的数值模拟需求，根据相应需求，完成总库和总表的更新；
S4：构建映射子表，根据用户表面催化效应的数值模拟需求，从总表中抽取相应信息，构建获得子表，映射子表简称为子表；
S5：构建催化复合反应子库，基于用户表面催化效应的数值模拟需求，结合子表和总库，构建子库，催化复合反应子库简称为子库；
S6：完成飞行器表面催化效应的数值模拟，通过子表间接访问总表、总库和子库，进而得到所需催化复合反应信息，实现满足用户需求的飞行器表面催化效应的数值模拟；
步骤S6包括：
进行飞行器表面催化效应的数值模拟时，求解各气体组分的在飞行器表面的质量平衡方程的过程中，针对参与反应气体组分，
首先，通过子表，得到它在总表中的序号，依据该总表中的序号，在总表中获取该气体组分在总库中作为反应物与生成物的所有催化复合反应的相关信息；
然后基于获得的信息，在总库和子库获取相应催化复合反应的具体参数；
最后基于获得的催化复合反应的具体参数，计算该气体组分的催化复合反应质量生成率，进而完成以质量平衡方程的求解为核心的飞行器表面催化效应数值模拟；
所述总库包括各催化复合反应在总库中的序号、反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数；
所述总表的内容包括：
各气体组分在总表中的序号、识别名，以及各气体组分作为反应物参与的所有催化复合反应在总库中的序号，以及各气体组分作为生成物参与的所有催化复合反应在总库中的序号；
所述子表的内容包括：气体组分的识别名、在总表中的序号，以及在子表中的编号；
其中，气体组分在子表中的编号的顺序与流场数值模拟采用的气体组分顺序一致；通过识别名，依次获得各气体组分在总表中的序号，记录子表和总表之间的信息映射关系；
所述子库的内容包括：
催化复合反应在子库的编号、在总库中的序号、催化复合反应的催化复合系数。
2.如权利要求1所述的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
对总库中催化复合反应的各种气体组分进行编序，依据各气体组分与各催化复合反应之间的反应物、生成物关系，建立各催化复合反应与各气体组分之间的总表。
3.如权利要求2所述的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，其特征在于，步骤S3中总表及总库的更新方法包括：
当总表中未包含用户流场模拟涉及的气体组分，则在总表中，按序填入其中未被包含的气体组分的序号和识别名；
当总库未包含飞行器表面发生的催化复合反应，则在总库中，按序添加总库中未被包含的催化复合反应，补充相关数据，包括：催化复合反应的序号、反应式、生成物及其系数、反应物及其系数、反应速率模型参数；
同时在总表中，基于相应催化复合反应的反应物和生成物关系，按序补充各反应与气体组分之间的关联数据。
4.如权利要求3所述的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，其特征在于，步骤S4中子表的构建方法包括：
按用户流场数值模拟涉及的所有气体组分顺序，依次从总表中提取信息，形成映射子表。
5.如权利要求4所述的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法，其特征在于，所述子库的构建方法包括：
对于子表中的每一个气体组分，从总库中，逐一选取该气体组分参与的每一个催化复合反应，判断该反应是否已存在于子库中；
若不存在，则在子库中按顺序添加该反应的映射信息，并结合用户需求，记录飞行器表面材料关于该反应的催化特性；
若存在，则进行下一个催化复合反应的判断，直至完成子表中所有气体组分涉及的各催化复合反应的判断与添加。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310833642.9A CN116562059B (zh) | 2023-07-10 | 2023-07-10 | 一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310833642.9A CN116562059B (zh) | 2023-07-10 | 2023-07-10 | 一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116562059A CN116562059A (zh) | 2023-08-08 |
| CN116562059B true CN116562059B (zh) | 2023-09-08 |
Family
ID=87496871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310833642.9A Active CN116562059B (zh) | 2023-07-10 | 2023-07-10 | 一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116562059B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117672417B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-04-05 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种表面有限催化模型自定义接口设计方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115544675A (zh) * | 2022-12-01 | 2022-12-30 | 北京航空航天大学 | 高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法 |
| CN116090262A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-05-09 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质 |
| CN116384290A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-07-04 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种考虑真实气体效应的高超声速飞行器动导数预测方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020143508A1 (en) * | 2001-01-08 | 2002-10-03 | Elliott David J. | Predictive algorithmic model |
| CN101001944A (zh) * | 2004-04-14 | 2007-07-18 | 催化剂设计有限公司 | 智能组合操作光谱催化系统 |
| US20080093163A1 (en) * | 2004-10-26 | 2008-04-24 | Silentor Holding A/S | Silencer and Open-Structured Catalyser |
| EP2470758B1 (en) * | 2009-08-28 | 2015-05-06 | Umicore AG & Co. KG | Exhaust-gas aftertreatment system with catalytically active wall-flow filter with storage function upstream of catalytic converter with identical storage function |
-
2023
- 2023-07-10 CN CN202310833642.9A patent/CN116562059B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115544675A (zh) * | 2022-12-01 | 2022-12-30 | 北京航空航天大学 | 高超声速飞行器防热材料表面催化特性多尺度预测方法 |
| CN116090262A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-05-09 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质 |
| CN116384290A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-07-04 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种考虑真实气体效应的高超声速飞行器动导数预测方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析;丁明松 等;《航空学报》;第39卷(第03期);第1-10页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116562059A (zh) | 2023-08-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116562059B (zh) | 一种基于映射的高超声速飞行表面催化反应模型构建方法 | |
| He et al. | Reliability modeling for integrated community energy system considering dynamic process of thermal loads | |
| Foglizzo | A SIMPLE TOY MODEL OF THE ADVECTIVE–ACOUSTIC INSTABILITY. I. PERTURBATIVE APPROACH | |
| CN111079290A (zh) | 一种基于改进多元宇宙算法的发动机模型修正方法 | |
| CN117059188B (zh) | 一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法及系统 | |
| CN102004827A (zh) | 基于Petri网的编队小卫星星间通信系统设计方法 | |
| CN117672417B (zh) | 一种表面有限催化模型自定义接口设计方法 | |
| Davies | Lockheed Martin overview of the AFRL EXPEDITE program | |
| CN117540586B (zh) | 一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法 | |
| Chow et al. | Comparison of the algorithms PISO and SIMPLER for solving pressure-velocity linked equations in simulating compartmental fire | |
| Bhutta et al. | New technique for low-to-high altitude predictions of ablative hypersonic flowfields | |
| Feng et al. | A class of TVD type combined numerical scheme for MHD equations with a survey about numerical methods in solar wind simulations | |
| CN115169253A (zh) | 一种热力学两温度模型非平衡能量体系改进方法 | |
| Wen et al. | Multi-robot task allocation based on combinatorial auction | |
| ÇAGDAŞ et al. | Fractal based generative design for harmony between old and new | |
| Cartagena et al. | A method for technology identification, evaluation, and selection of aircraft propulsion systems | |
| Vanka | Calculation of axisymmetric turbulent, confined diffusion flames | |
| Dwyer et al. | Time accurate solutions of the Navier-Stokes equations for reacting flows | |
| Zhang et al. | Exploring the application of digital twin in the field of micro turbine engine core components | |
| CN116306364B (zh) | 一种舱内爆炸水雾消波模拟方法 | |
| CN118262848B (zh) | 基于数据驱动的防热材料表面催化特性多尺度预测方法 | |
| CN117174191A (zh) | 一种adn基含能液体推进剂燃烧化学反应的机理简化方法 | |
| Hsu et al. | PDF approach for compressible turbulent reacting flows | |
| Zhu | Interior Design Effectiveness Modelling for Public Buildings with BIM‐Based Technology | |
| AYRAULT | Evaluation of a novel fast matrix conversion algorithm for accelerated CFD simulations using NVIDIA AmgX in OpenFOAM |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |