滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27980

流体力学与飞行力学

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滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

刘重晓, 王江峰()

南京航空航天大学航空学院，南京 210016

收稿日期:2022-09-07 修回日期:2022-09-27 接受日期:2022-11-29 出版日期:2023-08-25 发布日期:2022-12-14
通讯作者: 王江峰 E-mail:wangjf@nuaa.edu.cn
基金资助:
江苏高校优势学科建设工程（PAPD）

Numerical simulation of aero-heating in slip flow regime with chemical non-equilibrium

Chongxiao LIU, Jiangfeng WANG()

College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 　210016，China

Received:2022-09-07 Revised:2022-09-27 Accepted:2022-11-29 Online:2023-08-25 Published:2022-12-14
Contact: Jiangfeng WANG E-mail:wangjf@nuaa.edu.cn
Supported by:
Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions （PAPD）

摘要/Abstract

摘要：

针对滑移流区化学非平衡流中的气动热环境预测问题，采用多组分化学非平衡纳维-斯托克斯（N-S）方程对轨道验证飞行器（OREX）进行数值模拟，对比了有限催化和非催化、滑移和无滑移壁面条件下的气动加热，研究了壁面催化和滑移效应对气动热的影响规律，并分析了影响气动热的主要机制。结果表明：壁面催化和滑移效应均会影响流场物理量分布，高度为92.82 km时对激波脱体距离的影响较为明显；随着高度减小，有限催化与非催化壁面间的热流偏差增大，而滑移与无滑移壁面间的热流偏差减小；高度低于92.82 km时有限催化壁面计算得到的驻点热流值与飞行数据吻合较好，偏差均在11%以内；机制分析发现，催化效应对壁面附近的组分分布影响较大，滑移边界条件中的温度跳跃条件对壁面附近的温度分布影响显著。

关键词: 高超声速, 化学非平衡, 壁面催化条件, 滑移效应, 气动热环境

Abstract:

Numerical simulation predicting the aero-heating of chemical non-equilibrium flow in the slip flow regime has been carried out for the Orbital Reentry Experiment （OREX） vehicle by solving multicomponent chemical non-equilibrium Navier-Stokes（N-S） equations. A detailed comparison is made between the finite rate catalytic and non-catalytic， slip and no-slip wall conditions， and the influence of surface catalysis and slip effects on aero-heating is studied. The main mechanism affecting aero-heating is also analyzed. The results show that surface catalysis and slip effects influence the distribution of flow properties， with a strong impact on the shock stand-off distance at 92.82 km. With the decrease in altitude， the gap of heat flux increases between the finite rate catalytic and non-catalytic wall conditions， while decreases between the slip and no-slip wall conditions. At an altitude lower than 92.82 km， the stagnation point heat flux of the finite rate catalytic wall agrees well with the flight data， with the deviation within 11%. In the area near the wall， the catalytic effect has a considerable influence on species distribution， while the temperature jump condition of slip effects exerts a significant impact on the temperature distribution.

Key words: hypersonic, chemical non-equilibrium, surface catalysis, slip effects, aero-heating enviroment

中图分类号:

V211.3

刘重晓, 王江峰. 滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 127980-127980.

Chongxiao LIU, Jiangfeng WANG. Numerical simulation of aero-heating in slip flow regime with chemical non-equilibrium[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(16): 127980-127980.

图/表 17

表1

表2

计算条件

高度/km	Ma_∞	温度/K	密度/（10^-5 kg·m^-3）	$X N 2$	$X O 2$
80	27.8	181	1.999	0.763	0.237

表2

图 1

图 2

表3

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

参考文献 33

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

反应编号	化学反应式
1	O₂+M₁↔2O+M₁
2	N₂+M₂↔2N+M₂
3	N₂+N↔2N+N
4	NO+M₃↔N+O+M₃
5	NO+O↔N+O₂
6	N₂+O↔NO+N
7	N+O↔NO⁺+e^-

算例	高度/km	Ma_∞	努森数	温度/K	密度/（kg·m^-3）	壁温/K
1	92.82	26.97	0.017 00	188.70	3.009×10^-6	492
2	88.45	27.07	0.011 00	186.90	4.306×10^-6	587
3	84.01	26.82	0.004 70	188.90	1.095×10^-5	690
4	79.90	25.96	0.002 80	198.60	1.845×10^-5	808
5	75.81	25.04	0.001 40	206.82	3.658×10^-5	928

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滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

Numerical simulation of aero-heating in slip flow regime with chemical non-equilibrium

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