CN117912584A - 一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法 - Google Patents

一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，属于空气动力学领域，包括步骤：提取多种化学反应模型的共同特征，设计规范统一的UDF参数文件实现对多种有限速率化学反应模型的全面覆盖，同时构建配套的化学模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后增加相应的映射函数接口，达到采用最小化化学模型参数体系开展数值计算的目的，实现热化学非平衡流动与混合气体复杂化学反应过程的耦合模拟。本发明解决了传统“补丁式”、“外挂式”模型数据集成拓展方式带来的编程冗余和潜在计算风险等问题，大幅度降低了有限速率化学反应模型拓展集成的难度，以及代码编写和维护管理的成本。

Description

一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法
技术领域
本发明涉及空气动力学领域，具体涉及一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
在开展高超声速热化学非平衡流动数值模拟的过程中，有限速率化学反应模型是决定飞行器气动力、气动热等重要气动特性预测精度的关键模型之一，对高超飞行器气动操控、热防护与通信等系统综合设计具有重要影响。
有限速率化学反应模型包含混合气体组元构成、化学反应式以及相应的反应速率等内容信息，其中反应速率用于描述相关组元增加或减少的速度，是化学反应模型中最为重要的参数，也是差异最大的、最难以准确预测的部分。例如常用的地球大气有限速率化学反应模型包括Gupta、Park、Dunn-Kang以及Martin等，涉及O2、N2、NO、O、N、O+、N+、NO+、O2 +、N2 +以及e-等11组元的化学反应过程。这些化学模型在组元与化学反应式构成方面相差不大，但化学反应速率的表征模型多种多样，计算差异极大。由于上述每个化学模型均有相应的适用范围，因此在软件开发中均有被集成使用的必要，但反应速率表征模型的差异会给软件集成带来极大困难。
随着飞行任务拓展以及飞行器气动设计需求增长，高超流动模拟求解器需要增加更多的化学反应模型以适应火星大气、燃气、烧蚀引射气体等复杂气体介质环境的流动仿真应用需求。此时，不同类型化学反应模型的集成需求对软件计算框架的可拓展能力提出了更多的挑战和要求。传统的“补丁式”模型数据集成方式不符合“轻量化”的代码编写和维护管理需求，不断增长的“外挂”功能也会带来更多的计算风险。因此，有必要设计一类功能覆盖较全面、二次开发维护成本低且效率较高，以及规范统一的有限速率化学反应模型接口，以方便多种类型化学反应模型的高效集成和计算应用，满足日益增长的面向复杂气体介质环境的流动模拟应用需求。
发明内容
本发明为了满足日益增长的面向复杂气体介质环境的流动模拟应用需求，提供一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，采用规范统一的自定义UDF参数文件及其解析接口设计，解决传统“补丁式”、“外挂式”化学模型数据集成拓展方式带来的编程冗余和潜在计算风险等问题，大幅度降低了有限速率化学反应模型拓展集成的难度，以及代码编写和维护管理的成本。
本发明的技术方案如下：
一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，包括：
步骤S1：适应多种化学反应模型的UDF参数文件构建设计；
步骤S2：基于UDF参数文件的I/O解析接口设计；
步骤S3：映射函数接口构建设计；
步骤S4：热化学非平衡流场模拟及获取。
进一步地，所述步骤S1，包括：
考虑地球大气、火星大气、燃气、烧蚀引射气体环境下的多种常用化学反应模型，提取化学模型参数体系的共同特征，建立易于理解和规范统一的UDF参数文件，实现人机交互参数设置功能。
进一步地，所述步骤S2，包括：
基于步骤S1建立的UDF参数文件，构建解析化学反应模型的存储数据结构，同时建立配套的输入/输出成员函数，实现计算存储数据与UDF参数文件的关联和转换。
进一步地，所述步骤S3，包括：
构建由完整化学模型参数体系到最小化化学模型参数体系的映射函数接口，依据主控参数文件提供的混合气体组元构成及排序，经映射函数接口转换获得精简后的最小化化学模型参数体系，进而应用于高超CFD求解器开展流动与混合气体复杂化学反应的耦合模拟。
进一步地，所述步骤S4，包括：
根据计算条件修改UDF参数文件关联的化学反应模型及其参数，应用在高超CFD求解器数值迭代过程中更新流场组分浓度分布，直至满足收敛条件时获得最终所需的热化学非平衡稳态流场以及壁面压力、热流密度参数分布。
进一步地，所述UDF参数文件的要素包含混合气体组元构成、化学反应方程式以及相应的反应速率计算参数集三类信息内容。
进一步地，所述UDF参数文件采用化学反应方程式管理和编辑每一个化学反应，其中反应物与生成物之间用符号<=>和空格分隔，表示反应是双向的；
其次，参与反应的组元名称之间用符号+和空格分开，代表离子正电荷的符号+和负电荷的符号-紧跟在组元名称之后，不能有分隔符号；
此外，有第三碰撞体参与的化学反应方程式，碰撞体用符号M表示，M之后的数字代表碰撞反应式的序号，同时在化学反应方程式的最后用括号圈起来注明所有碰撞体的组元名称及其碰撞系数，碰撞体的每一项标注内容之间用逗号分隔，碰撞系数为实型数，组元及其碰撞系数之间用冒号隔开。
进一步地，所述UDF参数文件中的化学反应方程式在存储时，反应物、生成物和三体碰撞系数分别以正向反应矩阵、逆向反应矩阵和三体碰撞系数矩阵的二维数组存储数据结构表征；
在矩阵中，行表示反应方程式的序号，列表示组元在混合气体中的排序序号；正向反应矩阵存储数据，/>表示组元/>在反应式/>中不是反应物，/>表示组元/>在反应式/>中作为反应物的化学计量系数；逆向反应矩阵存储数据/>，/>表示组元/>在反应式/>中不是生成物，/>表示组元/>在反应式/>中作为生成物的化学计量系数；三体碰撞系数矩阵中，元素/>表示组元/>在反应式/>中不是第三碰撞体，/>表示组元在反应式/>中作为第三碰撞体的系数。
进一步地，所述UDF参数文件中的化学反应方程式在读取和解析时，正向反应矩阵、逆向反应矩阵和三体碰撞系数矩阵的所有数据首先置零；
识别转换时，若某组元在反应物中被找到，则将其在正向反应矩阵对应位置的数据加一更新；若在生成物中被找到，则将其在逆向反应矩阵对应位置的数据加一更新；若某组元作为第三碰撞体存在，则将其在三体碰撞系数矩阵对应位置的数据更新置换。
进一步地，所述UDF参数文件采用6个参数来表征和计算每个化学反应式的反应速率，前3个为正向反应速率Arrhenius拟合式系数，后3个为逆向反应速率的Arrhenius拟合式系数；
所述映射函数接口自动实现由完整化学模型参数体系到最小化化学模型参数体系的转换，用户可以根据主控文件参数设置，任意删减混合气体组元构成及排序，从而得到不同组合的简化化学模型及其计算参数体系。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所提出和建立的UDF自定义参数文件能够适应多种化学反应模型的参数设置与高效集成应用需求，具有可读性和拓展能力强、使用灵活等优势，能够满足有限速率化学反应物理建模及其对高超飞行器气动热环境影响等基础科学问题研究的广泛需求。
本发明所提出和建立的化学反应模型自定义接口设计方法解决了传统“补丁式”、“外挂式”化学模型数据集成拓展方式带来的编程冗余和潜在计算风险等问题，大幅降低了有限速率化学反应模型拓展集成的难度，满足了“轻量化”代码编写和维护管理的需求。
本发明所提出和建立的化学反应模型自定义接口设计方法对包括地球大气、火星大气、燃气、烧蚀引射气体等在内的多种化学反应体系均适用，可满足复杂气体环境热化学非平衡流动模拟及其相关气动特性计算分析的应用需求。
附图说明
图1为化学反应模型类数据结构设计示意图；
图2为化学反应模型UDF参数文件读取输入函数设计流程图；
图3为化学反应模型简化映射函数接口设计示意图；
图4为实例一基于类Apollo返回舱缩比模型计算的壁面压力分布对比；
图5为实例二基于类Apollo返回舱缩比模型计算的壁面热流分布对比；
图6为实例一基于类MSL火星探测器缩比模型计算的壁面压力分布对比（注：填充点上竖线表示试验值的误差带或正负偏差范围）；
图7为实例二基于类MSL火星探测器缩比模型计算的壁面热流分布对比（注：填充点上竖线表示试验值的误差带或正负偏差范围）。
具体实施方式
需要说明的是，术语“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。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
请参阅图1-3，一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，具体的实现过程如下：
步骤S1，适应多种化学反应模型的UDF参数文件构建设计：考虑地球大气、火星大气、燃气、烧蚀引射气体环境下的多种常用化学反应模型，提取化学模型参数体系的共同特征，建立易于理解和规范统一的UDF参数文件，实现人机交互参数设置功能。
对于地球大气Gupta/Park/Dunn-Kang/Martin、火星大气Park/McKenzie、燃气、硅基烧蚀Mitcheltree等工程上常用的化学反应模型，它们在模型参数体系构建方面主要包含以下三类信息内容，即混合气体组元构成、化学反应方程式以及相应的反应速率计算参数集。因此，具体以地球大气5组元（O、O2、NO、N、N2）Gupta化学反应模型为例，通用有限速率化学反应模型UDF参数文件的设计式样见表1所示。
表 1 通用有限速率化学反应模型UDF参数文件式样
可以看到，除了前述的三类信息内容外，化学反应模型UDF参数文件中还增加了species_num和react_num参数，置于文件的前2行用于程序实现时的内存预分配，2个参数分别表示该化学反应模型涉及的混合气体组元总数和化学反应方程式总数。
接下来，按照组元名称列表、化学反应方程式、化学反应速率计算参数集的顺序分别列举相关信息内容。其中第3行给出混合气体组元的名称列表，各组元名称之间用空格或逗号等符合分隔以方便识别和阅读，其次各组元的排序可以任意布置和调整，也可以根据计算需要随意扩充增加，此种设计最大程度地保证了模型修改更新的灵活性。
进一步地，第4~9行分别罗列每一个具体的化学反应方程式，其中反应物与生成物之间用符号“<=>”和空格分隔，表示反应是双向的。其次，参与反应的组元名称（化学式）之间用符号“+”和空格分开，代表离子正电荷的符号“+”和负电荷的符号“-”紧跟在组元名称之后，不能有空格等分隔符号。此外，有第三碰撞体参与的化学反应方程式，碰撞体用符号M表示，M之后的数字代表碰撞反应式的序号，同时在化学反应方程式的最后面用括号圈起来注明所有碰撞体的组元名称（化学式）及其碰撞系数，碰撞体的每一项标注内容之间用逗号分隔，碰撞系数为实型数，组元及其碰撞系数之间用符号冒号隔开。需要注意的是，如果某个组元作为反应物或生成物存在多个情形时，那么需要分别罗列其名称（化学式），而非在组元名称（化学式）前添加一个表示个数的数值，例如氧气O2离解反应的正确书写方式为“O2<=>O + O”，而非“O2<=>2O”。同样地，化学反应方程式可以根据计算需要任意增加或删减，组元的顺序也可以随意设置。这些设计保证了化学反应式的可读性，大大提升了参数设置的灵活性。
最后，第10~15行分别对应前述化学反应方程式，罗列其反应速率计算模型的参数集合，其排序与化学反应方程式的排序是一一对应的。此外，每一个化学反应式均采用正向反应速率和逆向反应速率来表征计算其反应速率，这里正、逆向反应速率均采用Arrhenius拟合式描述，即：
(1)
其中下标和/>分别是表示正向反应和逆向反应，下标/>为化学反应式编号。、/>分别表示/>反应式的正向反应速率与逆向反应速率，/>为温度；/>、/>和/>分别为正向反应速率Arrhenius拟合式的3个系数，/>、/>和/>分别为逆向反应速率Arrhenius拟合式的3个系数。
因此，UDF文件采用6个参数来表征和计算每个化学反应式的反应速率，前3个为正向反应速率Arrhenius拟合式系数，后3个为逆向反应速率的Arrhenius拟合式系数。所有数据为实数型，数据之间用空格或逗号分隔。值得注意的是，对于那些逆向反应速率采用平衡常数表征的化学反应模型，需要采用其他方法转换为这里所需的Arrhenius拟合式形式。
步骤S2，基于化学反应模型UDF参数文件的I/O解析接口设计：基于步骤S1建立的UDF参数文件，构建解析化学反应模型的存储数据结构，同时建立配套的输入/输出成员函数，实现计算存储数据与UDF参数文件的关联和转换。
采用步骤S1所述UDF参数文件设计思想，其I/O解析接口设计便可做到统一，其关键在于化学模型的存储数据结构设计。采用面向对象程序设计思想，基于UDF参数文件控制的化学反应模型ChemicalReactions类数据结构设计附图1所示。
ChemicalReactions类的成员变量及函数说明如下表2所示。
表 2 化学反应模型ChemicalReactions类成员变量及函数说明
记第个化学反应方程式为：
(2)
其中、/>分别为混合气体组元总数和化学反应式总数，/>、/>为组元/>在化学反应式/>中分别作为反应物和生成物的化学计量数，/>表示组元/>的名称（化学式）。
读取步骤S1所述的UDF参数文件后，每一个化学反应方程式需要被最终识别和转换为式(2)所需的格式进行存储，分别以正向反应矩阵和逆向反应矩阵的二维数组存储数据结构表征。在矩阵中，行表示反应方程式的序号，列表示组元在混合气体中的排序序号。正向反应矩阵存储数据，/>表示组元/>在反应式/>中不是反应物，/>表示组元/>在反应式/>中作为反应物的化学计量系数；逆向反应矩阵存储数据/>，/>表示组元/>在反应式/>中不是生成物，/>表示组元/>在反应式/>中作为生成物的化学计量系数；三体碰撞系数矩阵中，元素/>表示组元/>在反应式/>中不是第三碰撞体，/>表示组元/>在反应式/>中作为第三碰撞体的系数。
化学反应方程式读取和识别是UDF参数文件解析的关键环节。初始化时，正向反应矩阵、逆向反应矩阵和三体碰撞系数矩阵的所有数据置零。识别转换时，若某组元在反应物中被找到，则将其在正向反应矩阵对应位置的数据加一更新；若它在生成物中被找到，则将其在逆向反应矩阵对应位置的数据加一更新；若某组元作为第三碰撞体存在，则将其在三体碰撞系数矩阵对应位置的数据更新置换。
综上，关于UDF参数文件的读取输入函数主要流程设计如附图2所示。
步骤S3，映射函数接口构建设计：构建由完整化学模型参数体系到最小化化学模型参数体系的映射函数接口，依据主控参数文件提供的混合气体组元构成及排序，经映射函数接口转换获得精简后的最小化化学模型参数体系，进而应用于高超CFD求解器开展流动与混合气体复杂化学反应的耦合模拟。
同样以地球大气5组元（O、O2、NO、N、N2）Gupta化学反应模型为例，假如流动模拟的混合气体仅包含O和O2两种组元，若此时仍以5组元模型进行计算，则将增加NO、N、N2三种多余组元的存储空间及计算耗时，于提高计算效率无益。为此，在程序设计中增加了一种由完整化学模型参数体系到最小化化学模型参数体系的简化映射函数接口，它将多余的组元以及无关的化学反应方程式删除，进而生成一个简化版的化学模型及其参数体系，进一步供高超CFD求解器调用和支配。此时，生成的最小化化学模型（即简化化学模型）如表3所示。可以看到，混合气体组元减少3个，化学反应方程式减少了5个，存储空间和计算效率将得到极大提升。
表 3 由5组分Gupta化学模型简化映射生成的2组分化学模型式样
此外，用户可以根据主控文件参数设置，任意删减混合气体组元构成及排序，从而得到不同组合的简化化学模型，因此这种映射函数接口设计使得化学模型更加丰富多样，使用变得更加自由灵活。化学模型简化映射函数接口设计如图3所示。
步骤S4，热化学非平衡流场模拟及获取：根据计算条件修改UDF参数文件关联的化学反应模型及其参数，应用在高超CFD求解器数值迭代过程中更新流场组分浓度分布，直至满足收敛条件时获得最终所需的热化学非平衡稳态流场以及壁面压力、热流密度等参数分布。
高超CFD求解器涉及的热化学非平衡流动控制方程采用守恒积分形式为：
(3)
式中、/>分别代表控制体及其包围面，V为控制体单元体积，s为流通面的面积，/>为流通面的法向量，/>为来流雷诺数。此外，/>为守恒量向量，/>、/>分别为对流通量和粘性通量，W为非平衡源项。
守恒量向量、对流通量/>、粘性通量/>和非平衡源项W的具体表达式为：
(4)
其中为流通面s的法向量，/>分别为法向量n在各个坐标轴方向上的分量，/>为流体的绝对速度，u、v、w分别为速度在各个坐标轴方向上的分量值；/>分别为混合气体中各组元i的质量分数、比焓值、振动能和质量扩散系数，i=1,2,…,ns（ns为混合气体组元总数），ρ、p、T分别为混合气体密度、压强和温度，H为混合气体总焓，/>为混合气体的振动能和总内能，/>分别为混合气体的平动模态热传导系数和振动模态热传导系数，/>为组元/>的化学反应生成源项，/>为振动非平衡源项。
此外，为粘性应力张量，/>分别为粘性应力张量的各个分量值，且/>满足：
(5)
式中μ为混合气体粘性系数，u、v、w分别为笛卡尔坐标系x、y、z三个坐标方向上的速度分量值。
混合气体能量体系数的具体关联式为：
(6)
式中u、v、w分别为速度在各个坐标轴方向上的分量值，ρ、p、e和h分别为混合气体密度、压强、总比内能和焓值，分别为混合气体的平动能和振动能。
此外，化学反应生成源项w i的计算式为：
(7)
式中下标表示化学反应式的编号，下标/>表示组元的编号，/>分别为组分总个数和化学反应式总个数，/>、/>分别为第/>个反应式中组元/>在正、逆向反应中的化学计量系数，/>为组元/>的分子量，/>为组分/>的密度，/>为组元/>在第/>个反应式中的三体碰撞系数。此外，/>为第/>个反应式的有限速率，/>分别为第/>个反应式的正、逆向反应速率。在这里，/>均采用式(1)所示的Arrhenius拟合式计算，且化学反应式及其Arrhenius拟合式系数由精简后的化学模型及其参数体系确定。精简后的化学模型及其参数体系由步骤S1所述有限速率化学反应模型UDF参数文件输入获取，再由步骤S3所述化学模型简化映射函数接口转换获得。
最后，针对热化学非平衡流动控制方程(3)采用LU-SGS数值格式进行离散和迭代求解，当平均残差趋于平稳或达到最大迭代步数时认为流场计算收敛，从而获得热化学非平衡定常流动各项参数，如壁面压力分布值、壁面热流分布值等。LU-SGS数值迭代格式可表示为：
(8)
式中上标分别表示计算时刻，/>表示中间计算量，R为右端项，L、D、U分别为下三角矩阵、对角矩阵和上三角矩阵，/>为临时守恒量增值，/>为当前/>时刻计算得到的守恒量增值。
实施例二
本实施例提供了一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，应用于高超CFD求解器设置化学反应模型及其参数体系，同时基于LENS风洞类Apollo返回舱模型开展高超声速热化学非平衡流动模拟，计算模型和实验条件参考文献“MacLean M., Mundy E.,Wadhams T., Holden M. Analysis and Ground Test of Aerothermal Effects onSpherical Capsule Geometries[R]. AIAA 2008-4273, 2008.”。完整的空气11组分48反应Park化学模型由UDF参数文件输入，数值模拟采用热力学两温度模型及空气2组分（N/N2）Park化学模型，对流通量选取Steger格式和Vanalbada限制器，CFL数取200，壁面催化条件分别取完全催化和完全非催化等2类条件（壁面温度T w=300K），16核并行迭代步数40000步。
实施例二
本实施例提供了一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，应用于高超CFD求解器设置化学反应模型及其参数体系，同时基于LENS风洞类MSL火星探测器模型开展高超声速热化学非平衡流动模拟，计算模型和实验条件参考文献“Hollis B. R., PrabhuD. K., Maclean M., and Dufrene A. Blunt-Body Aerothermodynamic Database fromHigh-Enthalpy Carbon-Dioxide Testing in an Expansion Tunnel[J]. Journal ofThermophysics and Heat Transfer, 2017, 31(3): 712-731.”。完整的火星大气18组分35反应Park化学模型由UDF参数文件输入，数值模拟采用热力学两温度模型及火星气体5组分（O/O2/C/CO/CO2）Park化学模型，对流通量选取Steger格式和Vanalbada限制器，CFL数取200，壁面催化条件取有限催化条件（壁面温度T w=300K，γ O=0.01），16核并行迭代步数40000步。
图4和5基于实例一给出了采用不同催化模型条件计算得到的壁面压力和热流分布对比。可以看到，采用本发明方法计算得到的壁面压力曲线、热流曲线与内嵌化学模型模块方法的计算结果是一致的，证明了本发明所构建的有限速率化学反应模型UDF参数文件及其解析I/O接口的正确性和有效性，能够满足地球大气环境热化学非平衡流动模拟及其气动特性精准预测的需要。
图6和7基于实例二给出了采用不同催化模型条件计算得到的壁面压力和热流分布对比。可以看到，采用本发明方法计算得到的壁面压力曲线、热流曲线与内嵌化学模型模块方法的计算结果是一致的，进一步验证了本发明所构建的有限速率化学反应模型UDF参数文件及其解析I/O接口的正确性和有效性，表明本发明所述化学反应模型接口设计方法能够覆盖和满足地球大气和火星大气等复杂飞行环境相关的化学反应流动模拟的应用需求。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims (10)

1.一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：适应多种化学反应模型的UDF参数文件构建设计；
步骤S2：基于UDF参数文件的I/O解析接口设计；
步骤S3：映射函数接口构建设计；
步骤S4：热化学非平衡流场模拟及获取。
2.根据权利要求1所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述步骤S1，包括：
考虑地球大气、火星大气、燃气、烧蚀引射气体环境下的多种常用化学反应模型，提取化学模型参数体系的共同特征，建立易于理解和规范统一的UDF参数文件，实现人机交互参数设置功能。
3.根据权利要求1所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：
基于步骤S1建立的UDF参数文件，构建解析化学反应模型的存储数据结构，同时建立配套的输入/输出成员函数，实现计算存储数据与UDF参数文件的关联和转换。
4.根据权利要求1所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：
构建由完整化学模型参数体系到最小化化学模型参数体系的映射函数接口，依据主控参数文件提供的混合气体组元构成及排序，经映射函数接口转换获得精简后的最小化化学模型参数体系，进而应用于高超CFD求解器开展流动与混合气体复杂化学反应的耦合模拟。
5.根据权利要求1所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述步骤S4，包括：
根据计算条件修改UDF参数文件关联的化学反应模型及其参数，应用在高超CFD求解器数值迭代过程中更新流场组分浓度分布，直至满足收敛条件时获得最终所需的热化学非平衡稳态流场以及壁面压力、热流密度参数分布。
6.根据权利要求1所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述UDF参数文件的要素包含混合气体组元构成、化学反应方程式以及相应的反应速率计算参数集三类信息内容。
7.根据权利要求1所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述UDF参数文件采用化学反应方程式管理和编辑每一个化学反应，其中反应物与生成物之间用符号<=>和空格分隔，表示反应是双向的；
其次，参与反应的组元名称之间用符号+和空格分开，代表离子正电荷的符号+和负电荷的符号-紧跟在组元名称之后，不能有分隔符号；
此外，有第三碰撞体参与的化学反应方程式，碰撞体用符号M表示，M之后的数字代表碰撞反应式的序号，同时在化学反应方程式的最后用括号圈起来注明所有碰撞体的组元名称及其碰撞系数，碰撞体的每一项标注内容之间用逗号分隔，碰撞系数为实型数，组元及其碰撞系数之间用冒号隔开。
8.根据权利要求7所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述UDF参数文件中的化学反应方程式在存储时，反应物、生成物和三体碰撞系数分别以正向反应矩阵、逆向反应矩阵和三体碰撞系数矩阵的二维数组存储数据结构表征；
在矩阵中，行表示反应方程式的序号，列表示组元在混合气体中的排序序号；正向反应矩阵存储数据，/>表示组元/>在反应式/>中不是反应物，/>表示组元/>在反应式/>中作为反应物的化学计量系数；逆向反应矩阵存储数据/>，/>表示组元/>在反应式/>中不是生成物，/>表示组元/>在反应式/>中作为生成物的化学计量系数；三体碰撞系数矩阵中，元素/>表示组元/>在反应式/>中不是第三碰撞体，/>表示组元/>在反应式/>中作为第三碰撞体的系数。
9.根据权利要求8所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述UDF参数文件中的化学反应方程式在读取和解析时，正向反应矩阵、逆向反应矩阵和三体碰撞系数矩阵的所有数据首先置零；
识别转换时，若某组元在反应物中被找到，则将其在正向反应矩阵对应位置的数据加一更新；若在生成物中被找到，则将其在逆向反应矩阵对应位置的数据加一更新；若某组元作为第三碰撞体存在，则将其在三体碰撞系数矩阵对应位置的数据更新置换。
10.根据权利要求6所述的一种有限速率化学反应模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述UDF参数文件采用6个参数来表征和计算每个化学反应式的反应速率，前3个为正向反应速率Arrhenius拟合式系数，后3个为逆向反应速率的Arrhenius拟合式系数；
所述映射函数接口自动实现由完整化学模型参数体系到最小化化学模型参数体系的转换，用户可以根据主控文件参数设置，任意删减混合气体组元构成及排序，从而得到不同组合的简化化学模型及其计算参数体系。
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