内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型制造技术

本发明专利技术公开了内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，属飞行器气动计算领域。本发明专利技术将空气化学反应和燃料燃烧反应视为一个整体化学反应系统，采用统一的格式建立包含了C、H、O、N 等元素的气体单质、化合物和NO

【技术实现步骤摘要】
内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型
本专利技术涉及飞行器气动计算领域，尤其涉及内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型。
技术介绍
高超声速飞行器在大气层飞行过程中，围绕飞行器的高温空气将出现振动能激发、离解、电离等现象，外流场为化学非平衡流场；同时，高超声速飞行器动力系统与控制系统多采用燃气热喷流，内流场为多组元燃烧反应流场。如X-43A、X-51及某些高超声速远距格斗空空导弹等典型高超声速飞行器的真实飞行情况下，其飞行流场中必然同时存在空气化学反应与燃烧反应。然而，空气化学反应和燃烧反应在组元特性、热力学参数、反应速率等方面差别较大，因此目前对这两种化学反应的数值模拟都是分别独立进行的，单独对这两种化学反应流场的数值模拟研究已经相对成熟。在空气化学反应方面，空气化学非平衡流场的数值模拟考虑的组元包括O2、N2、O、N、NO及对应的离子和电子，根据飞行速度和高度选取不同的化学反应模型(五组元、七组元和十一组元模型)和反应方程组，给出高超声速飞行器外流场的数值预测结果，包括激波结构、温度分布和压力分布等，为高超声速飞行器气动力优化和气动热防护设计提供技术支持。在燃烧反应方面，随着先进高超声速飞行器设计方法的迅速发展，对动力系统和RCS(ReactionControlSystem反应控制系统)控制系统作用机理的研究不断深入，考虑动力系统和RCS系统的燃烧内流变得十分必要，燃烧流场的数值模拟考虑的组元为气态燃料剂和空气。根据燃料剂的不同选择化学反应模型和反应方程组，从而给出内流场的数值预测结果。然而,单独计算内外场对于两种化学反应同时存在的情况下并不是一个最佳的方法，因此，开发一种包含空气化学反应和燃烧反应的多组元化学反应流场统一模型十分必要。
技术实现思路
本专利技术提供了内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，将空气化学反应和燃烧反应集成在一个模拟模型中，能够更加的贴近现实情况，达到更好的模拟效果。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，由外流的高温空气化学反应和内流的燃料燃烧化学反应构成。进一步的，所述高温空气化学反应模型和燃料燃烧化学反应模型的通式为：其中，r＝1,2,...,NR，NS为组元个数，NR为反应方程式个数，NJ为NS个组元与催化体个数之和，αi,r，βi,r为第r个反应中组元i的化学计量系数，kf,r为正向化学反应速率系数，kb,r为逆向化学反应速率系数，Xi为组元成分或催化体，以单位体积的摩尔数表示；每单位体积中第i个组元的净质量生成速率为：Mi为组元i的分子量，ρ是混合气体密度。进一步的，所述高温空气化学反应模型包括：5组元5方程：7组元7方程：11组元26方程：进一步的，所述燃料燃烧化学反应模型包括：氢气-空气7组元7反应模型：乙烯-空气6组元2反应模型：进一步的，空气化学反应和燃料燃烧化学反应的控制方程采用多组元Navier-Stokes方程，其守恒形式表达如下：ρ,ui,uj,p,T,k分别为混合气体密度，混合气体i方向的速度，混合气体j方向的速度，混合气体压强，混合气体温度，混合气体导热系数，混合气体动力粘性系数，Ys,Ds,hs分别为组元s的质量分数、扩散系数、质量生成率和单位质量焓，δij为Kronecker符号，当i＝j时值为1，当i≠j时值为0。τij为在与i轴垂直的平面内，j方向的剪切应力；μ为混合气体动力粘性系数。H、E分别表示混合气体单位质量总能和总焓；所述混合气体的压力为：其中T仍为混合气体温度。所述混合气体的单位质量总能为：Ms为组元的分子质量，Ru为通用气体常数，ρs为组元s的密度，u、v、w分别表示混合气体三个方向分速度。控制方程采用基于混合网格的有限体积法求解，空间离散采用中心格式，时间离散采用五步龙格-库塔显式时间推进方法，湍流模型采用Spalart-Allmaras(S-A)模型。进一步的，空气化学反应和燃料燃烧化学反应的输运系数包括：组元粘性系数μs(kg/(cm·s))，组元的粘性系数由Chapman-Enskog公式计算：其中，σs是组元的碰撞直径,Ωμs是组元的碰撞积分，εs为Lennard-Jones势垒深度，K为玻尔兹曼常数。组元导热系数κs，其中，Ms为组元的分子质量，Ru为通用气体常数，Cps为组元的定压比热容,μs为第s个组元的动力粘性系数。组元的扩散系数，Sc为施密特数，Xs为组元s的摩尔分数，Ys为组元s的质量分数混合气体的粘性系数和导热系数有Wilke半经验公式计算：其中，Φsi为配分函数，表达如下：式中，μs为第s个组元的动力粘性系数，μi为第i个组元的动力粘性系数，Mi为第i个组元的分子质量，Ms为第s个组元的分子质量。(这个式子中没有I，那是数字1)进一步的，第r个反应的正反应速率用Arrhenius公式表示：Ar为指前因子，βr为温度指数，Er为活化能，Ru为通用气体常数，T为混合气体温度。化学反应分为两个部分，空气化学反应和燃烧反应，对于空气化学反应，正、逆向反应速率系数均通过反应速率参数计算；对于燃烧反应，先通过反应速率参数计算得到正反应速率系数，再通过平衡常数计算得到逆反应速率系数。本专利技术中，组元定压比热容、组元焓和组元熵都通过温度多项式计算：拟合系数a1～a7在不同的温度范围内不同，温度范围为100K～30000K，覆盖了所考虑的化学反应可能达到的所有温度值。这些拟合系数都集中人工编写在Chemkin化学反应库所需的热力学数据文件中，数据格式严格遵守Chemkin输入文件要求。拟合系数和温度范围的映射关系为：①热力学数据文件以关键字“THERMO”开始，以关键字“END”作为结束；②拟合系数a1～a7在不同的温度范围内不同，温度范围为100K～30000K，覆盖了所考虑的化学反应可能达到的所有温度值。在热力学数据文件中将每个组元可能达到的温度划分为n个温度范围(每个组元n值不等，n为正整数)；③设定关键字“1”和“4”作为每个组元块的“开始识别”和“结束识别”标识，设定关键字“TEMP”作为每个组元的“温度范围划分识别”。④具体表示为：开始识别组元s，在定义组元s的热力学拟合系数时，关键字“1”作为组元s块的第一行中最后一个字符，“1”之前包含有组元s的名字、原子组成及个数、物态、温度范围的最低温、温度范围的最高温这些物理量。第二行以“TEMP”关键字为开头，其后紧跟将组元s可能达到的温度域由低至高平均划分为n个温度范围的n+1个温度值。从再下一行开始，每7个数为一组(写成两行，第一行为a1～a5个数字，第二行为a6～a7)。拟合系数的最后一行以关键字“4”作为结尾，表示该组元块“结束识别”。所有的化学反应分为两个部分，其一为空气化学反应，其二为燃烧反应。在本专利技术中有一个控制开关可以控制哪一部分作为选择。对于空气化学反应，正、逆向反应速率系数均通过反应速率参数计算；对于燃烧反应，先通过反应速率参数计算得到正反应速率系数，再通过平衡常数计算得到逆反应速率系数。本专利技术的有益效果是：空气化学反应与燃料燃烧反应的组元参数可以采用相同的方法计算，本专利技术将这两种反应视为一个整体化学反应系统，采用统一的格式建立包含C、H、O、N等元素的气体单质、化合物和NO+本文档来自技高网...

【技术保护点】
内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，其特征在于，由外流的高温空气化学反应和内流的燃料燃烧化学反应构成。

【技术特征摘要】
1.内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，其特征在于，由外流的高温空气化学反应和内流的燃料燃烧化学反应构成。2.根据权利要求1所述的内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，其特征在于，所述空气化学反应模型和所述燃料燃烧化学反应的通式为：其中，r＝1,2,...,NR，NS为组元个数，NR为反应方程式个数，NJ为NS个组元与催化体个数之和，αi,r，βi,r为第r个反应中组元i的化学计量系数，kf,r为正向化学反应速率系数，kb,r为逆向化学反应速率系数，Xi为组元成分或催化体，以单位体积的摩尔数表示；每单位体积中第i个组元的净质量生成速率为：Mi为组元i的分子量，ρ是混合气体密度。3.根据权利要求2所述的内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，其特征在于，所述高温空气化学反应模型包括：5组元5方程：7组元7方程：11组元26方程：4.根据权利要求2所述的内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，其特征在于，所述燃料燃烧化学反应模型包括：氢气-空气7组元7反应模型：乙烯-空气6组元2反应模型：5.根据权利要求2所述的内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型，其特征在于，所述空气化学反应和所诉燃料燃烧化学反应控制方程的守恒形式表达如下：ρ,ui,uj,p,T,k分别为混合气体密度，混合气体i方向的速度，混合气体j方向的速度，混合气体压强，混合气体温度，混合气体导热系数，混合气体动力粘性系数，Ys,Ds,hs分别为组元s的质量分数、扩散系数、质量生成率和单位质量焓，δij为Kronecker符号，当i＝j时值为1，当i≠j时值为0。τij为在与i轴垂直的平面内，j方向的剪切应力；μ为混合气体动力粘性系数。H、E...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨天鹏，李佳伟，赵法明，王江峰，王钰涵，樊孝峰，王丁，李龙飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32