[发明专利]一种热化学非平衡流动的组分限制方法

说明书

本发明公开了一种热化学非平衡流动的组分限制方法，本发明方法从非平衡流动多反应体系多种机制之间的时间关联性出发，引入综合限制函数，从物理上保证了预估过程中的质量、元素守恒不被破坏。且本发明方法无需确定组分、元素的来源和去向问题，避免了复杂的溯源过程，实现过程相对简单高效，具有很强的通用性。并引入了微量组分容忍机制，结合修正的范围限制、归一化处理，兼顾了计算有效性、稳定性和效率。

技术领域

本发明属于数值模拟计算领域，具体涉及一种热化学非平衡流动模拟过程迭代过程混合气体组分约束限制方法。

背景技术

在高超声速非平衡流动数值模拟过程中，通常涉及混合气体多种气体成分质量分数的迭代计算。在数值迭代过程，由于流动特征时间与化学反应特征时间的之间差异以及数值迭代误差等原因，混合气体组分质量分数可能会出现负值，这不仅不符合物理实际，而且会使下一步的化学非平衡源项计算失效，从而使迭代计算中断。

为了避免这一问题，常规的做法是当某一气体组分出负时，强行将其设置为零或者某一小量(下文称为“常规的非负处理”)。这种做法在大部分条件下是可行的，因为随着定常或准定常迭代的进行，每步迭代组分变化量逐渐减小，从而使组分出负现象逐渐减弱，最后消失。但这种处理方法，相当于在迭代过程中人为引入质量通量，破坏了流体微元的元素守衡和质量守恒，在某些条件，可能会得到非物理的解，甚至使数值迭代过程发散、数值模拟失败。因此需要构建更可靠的热化学非平衡流动的组分处理方法。

下面以一具体实例来说明这一现象。例如，当高温热化学非平衡流场的某区域温度大幅下降时，假设流场中只发生氧原子的复合反应：

O+O—O₂

这一反应在某一时间段Δt内生成O₂的质量分数为Δc，则消耗O的质量分数为-Δc。如果由于流动计算时间与化学反应特征时间的差异或者数值迭代误差等原因，使氧原子组分质量分数出负，即：

c_Oⁿ⁺¹＝c_Oⁿ-Δc＜0

这里分别为第n+1步和第n步迭代的氧原子(O)的质量分数。

为了保证化学非平衡源项的有效计算，通常的处理是:

c_Oⁿ⁺¹＝ε

这里ε为0或者人为设定的组分最小值。与此同时，由于氧气(O₂)组分质量分数没有出现负值，因此氧气的迭代不变：

所以，对于这一步迭代，从整体上看，相当于人为引入了一定量的氧元素：

可见，此时氧元素的质量守恒被破坏。随数值模拟的进行，如果这种误差不断累积，就可能会得到非物理的解，甚至使数值迭代过程发散，进而使数值模拟失败。

对上述“单个、不可逆”反应，由于“氧元素来源、去向”很容易确定，因此，很容易进行修正处理，只需要将迭代式改为：

就可以保证氧元素的守恒。