一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法及系统，其中方法包括热力学能量参数计算采样、分段拟合温度区间重划分、分段拟合多项式系数重构、低温区热力学能量参数计算修正、热力学平衡能量体系改进方法应用及化学非平衡流场获取等步骤，基于Chemkin拟合多项式，根据各空气组元的热力学能量参数分布特点对第一级和第二级分段函数适用的温度区间重新进行划分；同时采用基于热力学温度模型假设的分子动理论方法计算得到的比热、内能值为插值模板数据，采用数学逼近方法重构各空气组元的分段拟合多项式系数。本发明专利技术可解决传统方法在计算高焓气体组元热力学平衡能量参数方面的差异问题。学平衡能量参数方面的差异问题。学平衡能量参数方面的差异问题。

【技术实现步骤摘要】
一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法及系统


[0001]本专利技术涉及空气动力学
，尤其涉及一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法及系统
。

技术介绍

[0002]空气动力学中常采用达姆科勒数
Da
判断高超化学反应流动的特征
。Da
在数值上等于流动特征时间（流体微元在流场中的停滞时间）与化学反应特征时间（化学反应达到平衡态所需要的时间）的比值
。Da>>1
的流动称为化学平衡流，它表示流体微元在流场中停滞时间比较长，混合气体中各组分有足够的时间进行化学反应，并且达到局部平衡状态
。Da<<1
的流动称为化学冻结流，它表示流体微元在流场中停滞时间比较短，混合气体中各组分在发生化学反应之前已经离开了流场
。Da
接近1的流动称为化学非平衡流，它表明流体微元在流场中的停滞时间与化学反应特征时间处于同一量级，此时流体微元一边随流动前进，一边同时发生化学反应，但不能达到平衡状态，而以有限速率进行着化学反应
。
事实上，真实的流场中同时存在以上三种状态，很难具体区分
。
因此，工程上采用化学非平衡描述全部计算域的流动状态，化学平衡和冻结流可视为化学非平衡流动的两个极限状态
。
[0003]化学非平衡流动是高超工程型号数值应用研究较多的一种流动问题，其高焓气体热力学能量参数的计算模式主要有两类，包括基于热力学温度模型假设的分子动理论方法（以下简称热力学温度模型方法）与基于实验数据拟合的近似方法
。
前者利用
Born
‑
Oppenheimer
近似方法将高温气体分子的内能（
e
）分解为平动能（
e
tr
）
、
转动能（
e
rot
）
、
振动能（
e
V
）和电子势能（
e
E
）等能量分布形式，相应地采用平动温度（
T
tr
）
、
转动温度（
T
rot
）
、
振动温度（
T
V
）和电子温度（
T
E
）等温度模式分别进行表征和计算
。
后者在热力学平衡假设条件下直接对统计温度所表征的能量参数进行建模，并主要采用分段拟合多项式进行计算，计算流体力学（
CFD
）中最为常用的便是
Chemkin
的拟合方法
。
[0004]基于热力学温度模型假设的分子动理论方法更为精确严谨，更加适合高焓气体能量分布形式的表征，但相对形式复杂，计算耗时
。
相比较而言，基于实验数据拟合的近似方法具有计算形式简单
、
程序编写方便
、
计算效率较快等优势，因此
CFD
数值研究常采用这类方法模拟化学非平衡流动问题
。
理论上，对于一个典型的高超化学非平衡流动问题，基于热力学温度模型假设的方法（主要采用一温度模型方法）与基于实验数据拟合的近似方法（主要采用
Chemkin
拟合方法）计算得到的流场能量
、
温度及壁面热流分布等情况应当是一致的
。
[0005]然而，目前上述两种方法计算的内能
、
比热等关键热力学能量参数在低温区间段（小于
1000K
）与较高温度区间段（大于
6000K
）存在显著的偏差（如图1和图2所示），使得最终模拟得到的流场结构（如激波形状）
、
流场能量分布及壁面热环境分布等存在差异，即两类方法在模拟化学非平衡流动方面尚未实现计算结果“归一”，无法做到相互校验和印证
。
[0006]综上，有必要改善和校正现有的拟合近似方法，实现采用前述两类方法模拟化学非平衡流动时计算结果可“归一”的目的
。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术提出一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法及系统，可解决
Chemkin
拟合近似方法与基于热力学温度模型假设的分子动理论方法在计算高焓气体组元热力学能量参数方面的差异问题，进而实现采用上述两类方法的化学非平衡流动
CFD
模拟结果可“归一”和可以相互印证校验的目的
。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法，包括：热力学能量参数计算采样：采用基于热力学温度模型的分子动理论方法计算各空气组元的热力学能量参数，得到比热和内能值分布；分段拟合温度区间重划分：根据各空气组元的热力学能量参数分布特点对
Chemkin
拟合方法第一级和第二级分段函数适用的温度区间重新进行划分，建立非统一的分段拟合形式；分段拟合多项式系数重构：以分子动理论方法计算得到的比热和内能值为插值模板数据，采用数学逼近方法重构各空气组元的分段拟合多项式系数，得到经过改进和校正的分段拟合多项式模型及其系数集合；低温区热力学能量参数计算修正：基于完全气体设定建立低温区间热力学能量参数的线性计算式，得到拟合多项式适用温度范围以外的低温区热力学能量参数计算修正形式；热力学平衡能量体系改进方法应用及化学非平衡流场获取：在热力学单温度模型求解器中，基于已得到的分段拟合多项式模型和低温区热力学能量参数计算修正形式，计算混合气体的热力学能量参数，应用在数值迭代过程中更新流场的相关参数，直至满足流场收敛条件时获得最终所需的化学非平衡稳态流动参数分布
。
[0009]进一步地，在所述分段拟合多项式系数重构中，先以分子动理论方法计算得到的比热为核心插值对象构建拟合多项式的前5个系数
a1~a5，再以分子动理论方法计算得到的内能值为基准确定拟合多项式的最后一个系数
a6。
[0010]进一步地，在所述低温区热力学能量参数计算修正中，对低于
50K
的低温区间采用线性关系式构建各组元的热力学能量参数计算形式
。
[0011]进一步地，所述各组元的热力学能量参数计算形式包括：其中，
c
v,i
(T)、c
p,i
(T)
分别表示对应温度条件下空气组元
i
的定容比热值和定压比热值，
e
i
(T)、h
i
(T)
分别表示对应温度条件下空气组元
i
的比内能值和焓值，
R=8.314J/mol
为普适气体常数，
M
i
为空气组元
i
的分子量，
T
为温度，
T
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法，其特征在于，包括：热力学能量参数计算采样：采用基于热力学温度模型的分子动理论方法计算各空气组元的热力学能量参数，得到比热和内能值分布；分段拟合温度区间重划分：根据各空气组元的热力学能量参数分布特点对
Chemkin
拟合方法第一级和第二级分段函数适用的温度区间重新进行划分，建立非统一的分段拟合形式；分段拟合多项式系数重构：以分子动理论方法计算得到的比热和内能值为插值模板数据，采用数学逼近方法重构各空气组元的分段拟合多项式系数，得到经过改进和校正的分段拟合多项式模型及其系数集合；低温区热力学能量参数计算修正：基于完全气体设定建立低温区间热力学能量参数的线性计算式，得到拟合多项式适用温度范围以外的低温区热力学能量参数计算修正形式；热力学平衡能量体系改进方法应用及化学非平衡流场获取：在热力学单温度模型求解器中，基于已得到的分段拟合多项式模型和低温区热力学能量参数计算修正形式，计算混合气体的热力学能量参数，应用在数值迭代过程中更新流场的相关参数，直至满足流场收敛条件时获得最终所需的化学非平衡稳态流动参数分布
。2.
根据权利要求1所述的一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法，其特征在于，在所述分段拟合多项式系数重构中，先以分子动理论方法计算得到的比热为核心插值对象构建拟合多项式的前5个系数
a1~a5，再以分子动理论方法计算得到的内能值为基准确定拟合多项式的最后一个系数
a6。3.
根据权利要求2所述的一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法，其特征在于，在所述低温区热力学能量参数计算修正中，对低于
50K
的低温区间采用线性关系式构建各组元的热力学能量参数计算形式
。4.
根据权利要求3所述的一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法，其特征在于，所述各组元的热力学能量参数计算形式包括：其中，
c
v,i
(T)、c
p,i
(T)
分别表示对应温度条件下空气组元
i
的定容比热值和定压比热值，
e
i
(T)、h
i
(T)
分别表示对应温度条件下空气组元
i
的比内能值和焓值，
R=8.314J/mol
为普适气体常数，
M
i
为空气组元
i
的分子量，
T
为温度，
T
const
=50K
为常值温度，
h
0,i
为空气组元
i
的生成焓
。5.
根据权利要求1所述的一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进方法，其特征在于，在所述热力学平衡能量体系改进方法应用及化学非平衡流场获取中，针对化学非平
衡流动控制方程采用
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视为流场计算收敛，从而获得化学非平衡稳态流动参数
。6.
一种化学非平衡气体热力学平衡能量体系改进系统，其特征在于，包括：...

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