存在高温效应时的激波/边界层、激波/激波相互作用研究

新一代高超声速飞行器的复杂外形使得其流场中激波/边界层、激波/激波相互作用普遍存在，其飞行条件下高温（包括非平衡）效应的影响不容忽视，深入分析这些复杂的相互作用机理，既是高温效应研究内容的扩充和深入，又是准确预测高超声速飞行器气动力气动热特性的需要。本课题将：(1) 研究激波/边界层、激波/激波相互作用流场中不同区域的重要化学反应机制和振动-化学耦合机理，发展适用于不同区域的热化学模型；(2) 研究气-壁相互作用，探索不同流动条件下的壁面催化效率及催化特性对流场的影响规律；(3) 研究高温效应对复杂相互作用的影响机理；(4) 研究高焓风洞自由流非平衡对复杂相互作用流场的影响机理和规律。研究结果将为深入理解多种效应并存时的流动机理，准确预测复杂相互作用下的流场结构和壁面压强、热流率提供基础；促进适用于复杂外形的三维热化学非平衡流场数值模拟软件完善，提高高超声速飞行器气动力、气动热预测精度。

针对存在激波/激波、激波/边界层相互作用的高超声速高温非平衡流动展开数值研究。包括高温非平衡精细热化学模型的研究与应用，非平衡流动的数值计算方法研究、程序编制与程序的实验验证，气壁相互作用及其对流动特性的影响研究。以球锥绕流、二维和三维压缩拐角流动、激波入射平板边界层流动为代表，在马赫数7~30、气流总焓值4~50MJ/kg范围大量算例条件下开展数值模拟，分析激波/边界层、激波/激波相互作用机理，研究高温效应对复杂流场结构、流动分离和壁面特性的影响。具体工作如下：.(1) 采用精细的态-态模型研究N2(v)/N混合物的热化学非平衡过程，考察各类微观过程对振动能级分布变化的影响，分析离解区和复合区能级分布的变化特点；进行一维正激波后非平衡流动和准一维喷管非平衡流动研究。深入了解了重要非平衡区域微观过程对宏观流动特性的影响，为改进现有的宏观热化学模型提供了思路，也为未来将态-态模型用于二维或三维非平衡流动研究做了技术储备。.(2) 研究了高超声速高温流场热传导热流中非平衡振动能通量的机理与数值处理方法，提出了一种双温度模型下计算非平衡流振动热传导的新方法：直接将振动热传导由非平衡振动能的梯度表达，并与通过质量扩散输运的振动能合并。由此很好解决了传统方法引起的数值计算困难和低壁温条件下振动温度非物理振荡等问题。并且可加大网格尺寸和时间推进步长，显著提高了计算效率。.(3) 以石墨和碳-酚醛两类材料为主要对象，开展烧蚀热化学模型的分析与选择、壁面边界条件求解方法和热解气体组成确定方法研究。对球头、球锥模型开展稳态和非稳态烧蚀流场的计算，研究烧蚀和热解对流场特性的影响规律和材料烧蚀过程中再入流动的过渡变化特点。.(4) 开展了纯空气的和存在烧蚀的二维压缩拐角流动研究，纯空气的三维压缩拐角流动和斜激波入射平板边界层流动研究。分析了不同自由流马赫数、气流总焓、自由流非平衡、压缩拐角度数、不同壁温和壁面催化或烧蚀特性条件下的细致流场结构、热化学状态、分离特性，讨论了高温效应对流动特性的多方面影响。研究发现，对于存在激波/边界层和激波/激波相互作用特别是存在流动分离的高超声速流动，自由流非平衡、壁面条件的影响都大于球锥等外形绕流。.本项目共发表论文7篇，其中《空气动力学学报》、《计算物理》、《国防科技大学学报》各1篇，第国际会议3篇，国内会议1篇。完成硕士学位论文2篇。