一种热化学非平衡流动的组分限制方法技术

本发明专利技术公开了一种热化学非平衡流动的组分限制方法，本发明专利技术方法从非平衡流动多反应体系多种机制之间的时间关联性出发，引入综合限制函数，从物理上保证了预估过程中的质量、元素守恒不被破坏。且本发明专利技术方法无需确定组分、元素的来源和去向问题，避免了复杂的溯源过程，实现过程相对简单高效，具有很强的通用性。并引入了微量组分容忍机制，结合修正的范围限制、归一化处理，兼顾了计算有效性、稳定性和效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种热化学非平衡流动的组分限制方法


[0001]本专利技术属于数值模拟计算领域，具体涉及一种热化学非平衡流动模拟过程迭代过程混合气体组分约束限制方法。

技术介绍

[0002]在高超声速非平衡流动数值模拟过程中，通常涉及混合气体多种气体成分质量分数的迭代计算。在数值迭代过程，由于流动特征时间与化学反应特征时间的之间差异以及数值迭代误差等原因，混合气体组分质量分数可能会出现负值，这不仅不符合物理实际，而且会使下一步的化学非平衡源项计算失效，从而使迭代计算中断。
[0003]为了避免这一问题，常规的做法是当某一气体组分出负时，强行将其设置为零或者某一小量(下文称为“常规的非负处理”)。这种做法在大部分条件下是可行的，因为随着定常或准定常迭代的进行，每步迭代组分变化量逐渐减小，从而使组分出负现象逐渐减弱，最后消失。但这种处理方法，相当于在迭代过程中人为引入质量通量，破坏了流体微元的元素守衡和质量守恒，在某些条件，可能会得到非物理的解，甚至使数值迭代过程发散、数值模拟失败。因此需要构建更可靠的热化学非平衡流动的组分处理方法。
[0004]下面以一具体实例来说明这一现象。例如，当高温热化学非平衡流场的某区域温度大幅下降时，假设流场中只发生氧原子的复合反应：
[0005]O+O—>O2[0006]这一反应在某一时间段Δt内生成O2的质量分数为Δc，则消耗O的质量分数为
‑
Δc。如果由于流动计算时间与化学反应特征时间的差异或者数值迭代误差等原因，使氧原子组分质量分数出负，即：<br/>[0007]c
On+1
＝c
On
‑
Δc＜0
[0008]这里分别为第n+1步和第n步迭代的氧原子(O)的质量分数。
[0009]为了保证化学非平衡源项的有效计算，通常的处理是:
[0010]c
On+1
＝ε
[0011]这里ε为0或者人为设定的组分最小值。与此同时，由于氧气(O2)组分质量分数没有出现负值，因此氧气的迭代不变：
[0012][0013]所以，对于这一步迭代，从整体上看，相当于人为引入了一定量的氧元素：
[0014][0015]可见，此时氧元素的质量守恒被破坏。随数值模拟的进行，如果这种误差不断累积，就可能会得到非物理的解，甚至使数值迭代过程发散，进而使数值模拟失败。
[0016]对上述“单个、不可逆”反应，由于“氧元素来源、去向”很容易确定，因此，很容易进行修正处理，只需要将迭代式改为：
[0017][0018][0019]就可以保证氧元素的守恒。
[0020]但对于真实的高温气体热化学非平衡流动过程，通常是多元素多组分(N2、O2、NO、NO
+
、O、N、O
+
、CO2、CO、H、H2O
……
)、多反应的复杂可逆反应体系，同时需考虑高速流动中各气体组分对流、扩散等多种机制，因此其组分、元素的来源和去向均不确定。一旦迭代过程中组分质量出负，“常规的非负处理”之后，该修正哪个气体组分、如何修正及修正的量值，均与整个流动过程中的化学非平衡体系密切相关，难以有效处理。
[0021]因此需要建立更加可靠、相对简便的组分修正或限制处理方法。

技术实现思路

[0022]本专利技术的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种热化学非平衡流动的组分限制方法，兼顾了计算有效性、稳定性和效率问题。
[0023]本专利技术目的通过下述技术方案来实现：
[0024]一种热化学非平衡流动的组分限制方法，所述热化学非平衡流动的组分限制方法包括如下步骤：
[0025]步骤1：取值；在流动控制方程组求解过程中，取得第n步迭代混合气体的各组分质量分数初值及其变化量其中，s＝1,2,
……
Ns，Ns为混合气体组分数；
[0026]步骤2：预估；依据物理时间等效原理，构建限制函数，对组分迭代进行限制，得到下一个迭代步的组分质量分数的预估值
[0027]步骤3：设限；根据元素守恒，由预估值计算每个气体组分的质量分数上限值
[0028]步骤4：分类、定标；依据混合气体各组分质量分数预估值选取其中质量分数最大的组分，称为“最大组分”，记录其编号为nmax；其它气体组分称为“非最大最分”；
[0029]步骤5：修正；依据组分质量分数上限对非最大组分进行修正，然后结合质量分数归一化定义，重新计算最大组分的质量分数，得到第n+1步的
[0030]根据一个优选的实施方式，步骤2中，
[0031][0032]其中，f
min
为物理时间综合等效约束因子，其表达式为
[0033]f
min
＝min(f1,f2,
……
,f
Ns
)
[0034]其中f1,f2,
……
,f
Ns
为各组分的等效时间因子。
[0035]根据一个优选的实施方式，对于出负组分，即第s组分的等效时间因子f
s
为
[0036][0037]ε0、ε为小量；
[0038]对于未出负的组分，即等效时间因子为：
[0039]f
s
＝1.0。
[0040]根据一个优选的实施方式，ε0＝0.05～0.1，ε＝1
×
10
‑
20
。
[0041]根据一个优选的实施方式，步骤3中，
[0042][0043][0044][0045]其中，m为混合气体中包括物质元素的个数，A
s,j
第j中元素在第s组分中的质量占比，为第j种元素决定的s组分能达到的最大值，C
j
为第j种元素在混合气体中的质量分数。
[0046]根据一个优选的实施方式，步骤5中，
[0047][0048][0049]ε1为气体组分质量分数下限。
[0050]根据一个优选的实施方式，ε1＝0。
[0051]前述本专利技术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，均为本专利技术可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本专利技术方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本专利技术所要保护的技术方案，在此不做穷举。
[0052]本专利技术的有益效果：本专利技术方法从非平衡流动多反应体系多种机制之间的时间关联性出发，引入综合限制函数，从物理上保证了预估过程中的质量、元素守恒不被破坏。且本专利技术方法无需确定组分、元素的来源和去向问题，避免了复杂的溯源过程，实现过程相对简单高效，具有很强的通用性。并引入了微量组分容忍机制，结合修正的范围限制、归一化处理，兼顾了计算有效性、稳定性和效率。
附图说明
[0053]图1是本专利技术方法的流程示意图。
具体实施方式
[0054]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热化学非平衡流动的组分限制方法，其特征在于，所述热化学非平衡流动的组分限制方法包括如下步骤：步骤1：取值；在流动控制方程组求解过程中，取得第n步迭代混合气体的各组分质量分数初值及其变化量其中，s＝1,2,
……
Ns，Ns为混合气体组分数；步骤2：预估；依据物理时间等效原理，构建限制函数，对组分迭代进行限制，得到下一个迭代步的组分质量分数的预估值步骤3：设限；根据元素守恒，由预估值计算每个气体组分的质量分数上限值步骤4：分类、定标；依据混合气体各组分质量分数预估值选取其中质量分数最大的组分，称为“最大组分”，记录其编号为nmax；其它气体组分称为“非最大最分”；步骤5：修正；依据组分质量分数上限对非最大组分进行修正，然后结合质量分数归一化定义，重新计算最大组分的质量分数，得到第n+1步的2.如权利要求1所述的热化学非平衡流动的组分限制方法，其特征在于，步骤2中，其中，f
min
为物理时间综合等效约束因子，其表达式为f
min
＝min(f1,f2,
……
,f
Ns
)其中f1,f2,
……
,f<...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁明松，李鹏，陈坚强，刘庆宗，高铁锁，董维中，江涛，郭勇颜，梅杰，何磊，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：