[发明专利]内外流多组元化学反应流场一体化数值模拟模型

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Reaction Control System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。

发明内容

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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，α_i,r，β_i,r为第r个反应中组元i的化学计量系数，k_f,r为正向化学反应速率系数，k_b,r为逆向化学反应速率系数，X_i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：

M_i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：