一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质制造方法及图纸

本申请公开了一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质，涉及数值模拟计算领域，主要用于模拟高超声速飞行器表面的催化现象。该方法从表面催化效应的机理出发，依据表面复合反应特点及其反应物/生成物的依赖关系，设定各气体组分的计算优先级；依据计算优先级和表面微元的隐式数值离散，构建分级隐式迭代算法，结合质量守恒定律和电中性原理，实现飞行器表面有限催化现象的高效数值模拟。采用该分级隐式算法，计算稳定性好，收敛迅速，不仅克服了常规的显式迭代方法稳定差、易发散的缺点，而且避免了传统隐式方法复杂的系数矩阵耦合求解过程，编程相对简单，容易实现。容易实现。容易实现。

【技术实现步骤摘要】
一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质


[0001]本专利技术涉及数值模拟计算领域，特别涉及一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质。

技术介绍

[0002]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。飞行器头部激波后的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、离子等成分在到达飞行器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。因此高温气体非平衡效应及表面催化效应的数值模拟技术，一直受到人们的广泛关注。
[0003]在数值模拟技术中，催化效应常以边界条件的形式出现。完全催化（FCW，(fully catalytic wall）和完全非催化（NCW，non
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catalytic wall）是最容易实现的两种表面催化边界条件，应用十分广泛。但这两者只模拟了表面催化的两种极限状态，要精确模拟催化效应，还须考虑表面材料具体的催化特性，采用有限催化条件（PCW，partially catalytic wall）边界计算模型。
[0004]高温气体表面有限催化边界的计算模拟相对复杂，需要在非平衡流动模拟过程中，耦合迭代求解表面复杂催化反应体系的质量平衡方程组以计算得到各气体组分的质量分数。在此过程中，由于流动参数与表面反应的相互干扰，常规的显式迭代方法稳定较差，很容易发散；常规的隐式处理方法，需要耦合求解各组分质量平衡方程，并处理与催化反应体系相关联的耦合系数矩阵，实现过程较为复杂，影响计算效率。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种有限催化分级隐式数值模拟方法、装置、设备及介质，能够使得计算各气体组分质量分数的过程更加稳定高效。其具体方案如下：第一方面，本申请公开了一种有限催化分级隐式数值模拟方法，包括：非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；判断所述新值是否满足预设收敛条件；
若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。
[0006]可选的，所述根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级，包括：设置当前优先级n=1，设置所述表面催化复合反应体系为当前体系；将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级，并将所述生成物对应的反应物中气体组分的优先级预设为n+级；所述n+级表示高于n级的优先级；在当前体系中，去除所述生成物的优先级预设为n级的催化复合反应，并将剩余部分重新设置为目标体系；判断所述目标体系是否存在催化复合反应；若存在，则重新设置所述当前优先级n=n+1，并将所述目标体系作为所述当前体系，然后跳转至所述将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级的步骤；若不存在，则对于表面网格微元上所有气体组分，确认优先级预设为a的气体组分的优先级为a，确认优先级预设为a+的气体组分的优先级为a+1，确认没有预设优先级的气体组分的优先级为无优先级。
[0007]可选的，所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数，包括：基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数。
[0008]可选的，所述基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值，包括：根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分；在表面催化复合反应体系中，选择所述当前气体组分参与的若干目标催化复合反应；基于所述若干目标催化复合反应的所述催化反应速率，计算当前气体组分催化反应质量生成率；基于所述当前气体组分的所述扩散系数、所述质量生成率和所述辅助计算值，隐式离散所述当前气体组分的表面质量守恒方程，计算得到所述当前气体组分的质量分数的预估值；跳转至所述根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分的步骤，直至得到所有具有优先级的气体组分质量分数的所述预估值。
[0009]可选的，所述有限催化分级隐式数值模拟方法，还包括：所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级高于所述当前气体组分的优先级的气体组分的质量分数采用所述预估值；所述表面质量守恒方程中，表面网格微元上所有优先级不高于所述当前气体组分的优先级的气体组分和无优先级的气体组分的质量分数采用所述当前值。
[0010]可选的，所述根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值，包括：由所述辅助计算值计算无优先级的气体组分的质量分数的预估值；若飞行器表面存在电子组分，则基于电中性原则计算所述电子组分的质量分数的预估值；基于具有优先级的气体组分质量分数的预估值、所述无优先级的气体组分的质量分数的预估值以及可能存在的电子组分质量分数的预估值的质量分数归一化，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值。可选的，所述预设收敛条件为最大相对残差不大于预设精度标准；所述最大相对残差为所有所述气体组分根据预设公式计算的预设相对残差中的最大值；所述预设公式为：；；其中，所述为不同所述气体组分的所述预设相对残差，所述表示不同所述气体组分；所述为所述气体组分的所述新值，所述为所述气体组分的所述当前值；所述为所述气体组分的总个数。
[0011]第二方面，本申请公开了一种有限催化分级隐式数值模拟装置，包括：数值获取模块，用于非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；优先级设定模块，用于根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；参数计算模块，用于根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；预估值计算模块，用于基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；新值计算模块，用于根据质量分数归一化原理和电中性原则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，包括：非平衡流动数值模拟过程中，获取表面网格微元气体组分的质量分数的初始值作为当前值，并获取表面法向次层网格微元气体组分的质量分数作为辅助计算值；根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级；根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数；基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值；根据质量分数归一化原理和电中性原则并基于所述预估值，获取所述表面网格微元气体组分的质量分数的新值；判断所述新值是否满足预设收敛条件；若不满足所述预设收敛条件，则将所述新值作为所述当前值，并跳转至所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数的步骤；若满足所述预设收敛条件，则所述新值即为所述表面网格微元气体组分的质量分数的目标值。2.根据权利要求1所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述根据表面催化复合反应体系，基于由低到高的顺序设定各气体组分的优先级，包括：设置当前优先级n=1，设置所述表面催化复合反应体系为当前体系；将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级，并将所述生成物对应的反应物中气体组分的优先级预设为n+级；所述n+级表示高于n级的优先级；在当前体系中，去除所述生成物的优先级预设为n级的催化复合反应，并将剩余部分重新设置为目标体系；判断所述目标体系是否存在催化复合反应；若存在，则重新设置所述当前优先级n=n+1，并将所述目标体系作为所述当前体系，然后跳转至所述将所述当前体系中只在生成物中出现的气体组分的优先级预设为n级的步骤；若不存在，则对于表面网格微元上所有气体组分，确认优先级预设为a的气体组分的优先级为a，确认优先级预设为a+的气体组分的优先级为a+1，确认没有预设优先级的气体组分的优先级为无优先级。3.根据权利要求1所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述根据所述当前值和表面网格微元材料特性参数计算中间参数，包括：基于所述当前值、表面气体温度和压强计算气体密度；基于所述表面催化复合反应体系中各催化复合反应的催化系数、重粒子反应物的分子量和所述表面气体温度，计算各催化复合反应分别对应的催化反应速率；基于所述当前值计算各所述气体组分的扩散系数。4.根据权利要求3所述的有限催化分级隐式数值模拟方法，其特征在于，所述基于所述中间参数、所述当前值和所述辅助计算值，并根据所述优先级分级隐式迭代计算所述表面网格微元气体组分的质量分数的预估值，包括：根据优先级由高到低的顺序选择当前气体组分；在表面催化复合反应体系中，选择所述当前气体组分参与的若干目标催化复合反应；
基于所述若干目标催化复合反应的所述催化反应速率，计算当前气体组分催化反应质量生成率；基于所述当前气体组分的所述扩散系数、所述质量生成率和所述辅助计算值，隐式离散所述当前气体组分的表面质量守恒方程，计算得到所述当前气体组分的质量分数的预估值；跳转至所述根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈坚强，丁明松，梅杰，李鹏，刘庆宗，高铁锁，董维中，江涛，郭勇颜，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：