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高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

傅杨奥骁;董维中;丁明松;刘庆宗;高铁锁;江涛

【摘要】针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响.研究表明:(1)风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;(2)热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;(3)试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;(4)当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则(模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ∞L)外推热流失效,使用部分模拟准则(模拟飞行条件总焓和驻点压力)外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;(5)当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小.

【期刊名称】《实验流体力学》

【年(卷),期】2019(033)003

【总页数】12页(P1-12)

【关键词】电弧风洞;热化学非平衡效应;数值模拟;气动热环境;试验数据外推

【作者】傅杨奥骁;董维中;丁明松;刘庆宗;高铁锁;江涛

【作者单位】中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所,四川绵阳621000

【正文语种】中文

【中图分类】O411.3;V211.751

0引言

高超声速飞行器在大气层中飞行时，具有极高的飞行速度，会面临非常严酷的高焓非平衡气动热环境[1-3]，而结构设计的精细化要求对气动热预测精准度提出了很高的要求。电弧风洞作为高焓风洞中的一种，是目前唯一能模拟高超声速飞行器长时间所经历的高焓非平衡气动热环境的地面设备[4]，主要用于热防护结构考核试验。

风洞试验的最终目的是给出飞行器实际飞行条件下各种气动特性的准确测量结果；或者通过对风洞试验数据的研究，给出飞行器实际飞行条件下气动特性的准确预测结果。但在风洞试验实现过程中，很难达到实际飞行条件的完全模拟。由于各种限制(场地、能量等)，试验段的来流条件与实际飞行条件常常存在很大差别。因此，在试验测量数据使用时，必须采用一定方法，将风洞试验数据外推，获得真实飞行条件下的气动特性数据。

在高焓风洞的驻室中，试验气体处于高温高压状态，并可以近似认为处于热化学平衡状态；随后试验气体历经喷管膨胀加速，到达试验段时往往会出现振动能量和化学组分的冻结现象，这就使得试验段来流与真实飞行条件有很大差别[5]。在这种情况下，来流的非平衡特性会对试验模型的气动热环境产生重要影响，使得试验数据的外推较常规风洞更加复杂。

风洞试验数据外推到真实飞行状态，一般需要采用相似参数的方法。国内外对高温气体非平衡流动模拟的相似参数已进行了很多研究，提出了一些模拟准则。例如，张涵信[6]在分析流体力学和化学动力学方程的基础上指出，在三体反应可以忽略的情况下，高温非平衡流动的模拟参数为双尺度参数ρ∞L(ρ∞为自由来流密度、L为特征长度)；董维中[7-8]在对高焓脉冲风洞F4试验数据外推飞行条件的研究中指出，在保持总焓和双尺度参数ρ∞L一致的情况下，头部区域的热流可以外推到飞行条件，但在身部区域误差较大；曾明[9]通过数值模拟研究指出，在流场中三体碰撞反应趋于平衡或者冻结的情况下，双尺度模拟参数ρ∞L可以对全流场适用，但是这种适用存在一个有效范围，要求ρ∞L值不能太大。Gokcen[10]、袁军娅[11]等在研究电弧风洞试验模型非平衡气动热环境时指出，应用部分相似模拟(PartialSimulation)理论，即保持总焓和驻点压力一致，可以模拟飞行条件下的气动热环境，但要求模型边界层外缘达到热力学平衡状态。可以看出，对于不同高焓风洞及其运行状态，应用何种相似参数将试验数据外推到飞行条件存在很大差别，不同相似准则的适用范围和准确性还需进一步研究。

此外，高焓风洞流动的数值研究中，大多采用分步计算喷管和试验模型流场的方法，即先通过数值计算获取喷管出口参数