[发明专利]气体分子的电子能级分布的计算方法和装置

说明书

本发明提供了一种气体分子的电子能级分布的计算方法和装置，其中方法包括：确定目标气体分子在一维流场的宏观参数；所述宏观参数包括所述一维流场中各节点目标气体分子的数密度；根据所述目标气体分子的数密度，利用Boltzmann分布公式计算所述目标气体分子在所述一维流场中初始节点的所有电子能级的数密度；根据所述初始节点的所有电子能级的数密度、所述初始节点的对流项和初始节点的激发项，确定所述初始节点的下一节点的所有电子能级的数密度；将所述初始节点的下一节点作为新的初始节点，直至得到目标气体分子在所述一维流场的电子能级分布。本方案，不但能够减少计算量，还能保证热力学非平衡高超声速流场中气体分子的电子能级分布的计算精度。

技术领域

本发明实施例涉及电子能级分布技术领域，特别涉及一种气体分子的电子能级分布的计算方法和装置。

背景技术

当飞行高度较高(一般大于30km)，飞行速度较大(一般大于6Ma)时，飞行器周围形成的流场会处于热力学非平衡状态。所谓热力学非平衡状态是指由于流场压力较低而流速较快时，流场中的气体分子没有进行充分的碰撞，致使这些分子的振动、电子能量没有进行充分交换，致使流场中分子能级的分布没有达到当地的热力学平衡状态，即没有达到玻尔兹曼(Boltzmann)分布。而处于热力学非平衡状态流场的流动、传热和光辐射性质会与热力学平衡状态显著不同，因此准确的模拟这类高超声速流场中气体分子的电子能级分布是预测流场分布、气动加热、光学辐射的首要基础，同时由于热力学非平衡状态下的能级分布与众多微观物理过程相关，该问题也成为制约高超声速流场热学、光学效应数值模拟的关键问题。

现有的热力学非平衡高超声速流场中气体分子的电子能级分布的计算方法主要有：多温度法(muti-temperature)、准稳态法(quasi-steady-state)、态态法(state-to-state)。其中，多温度法假设流场中气体在转动、振动、平动和电子四个自由度下分别满足各自的Boltzmann分布，是最为简单的方法，但模拟精度最低。准稳态法忽略了流动中激发过程对能级分布的影响，假设流场各处气体分子的电子能级分布中激发项为0。该方法计算简单，在满足准稳态假设的情况下精度较高，但是在不满足假设的情况下完全不适用。态态法将分子的各个电子态当作完全独立的组分，按照化学反应流的方法耦合流动计算流场中各处的电子能级分布，该方法计算精度较高，但是计算量过于巨大，难以达到工程适用要求。

发明内容

基于现有热力学非平衡高超声速流场中气体分子的电子能级分布的计算方法中多温度法计算精度低，准稳态法适用范围有限，态态法计算量大的问题，本发明实施例提供了一种电子能级分布的计算方法和装置，能够大大减少计算量的同时，保证热力学非平衡高超声速流场中气体分子的电子能级分布的计算精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种气体分子的电子能级分布的计算方法，包括：

确定目标气体分子在一维流场的宏观参数；所述一维流场处于热力学非平衡状态，所述宏观参数包括所述一维流场中各节点的流速、温度和所述目标气体分子的数密度；

根据所述目标气体分子的数密度，利用Boltzmann分布公式计算所述目标气体分子在所述一维流场中初始节点的所有电子能级的数密度；

根据所述初始节点的所有电子能级的数密度、所述初始节点的流速和所述初始节点的下一节点的流速，确定所述初始节点的对流项；

根据所述初始节点的温度和相邻节点之间的距离，确定所述初始节点的激发项；

根据所述初始节点的所有电子能级的数密度、所述初始节点的对流项和所述初始节点的激发项，确定所述初始节点的下一节点的所有电子能级的数密度；

将所述初始节点的下一节点作为新的初始节点，跳转执行所述确定所述初始节点的对流项，直至得到所述目标气体分子在所述一维流场的电子能级分布。

优选的，所述Boltzmann分布公式为：