來流條件對熱流組分擴散項影響效應分析

苗文博，程曉麗，艾邦成

(中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074)

0 引言

未來高超聲速飛行器普遍具有高空以及高飛行馬赫數的特點，此時流動的熱非平衡特性也非常突出。非平衡效應會對流動產生較大的影響，它會改變激波后和壁面附近的溫度以及組分分布。高馬赫數狀態時，激波后溫度可達6000K～10000K，甚至10000K以上，氧分子、氮分子開始離解并伴隨置換反應和電離反應進行，流場中原子和離子在到達壁面時會發生表面催化復合反應釋放熱量，這部分熱量是由組分濃度梯度決定的，一般也稱之為熱流的組分擴散項。當流場中原子在壁面處的復合比例比較高時，壁面的催化復合放熱不可忽略，稱之為壁面催化效應。Sebo D.E.［1］發現多級再入軌道器要比普通再入受到更高的熱流加熱，認為壁面催化條件是產生這種熱流差異的重要因素。Papadopoulos P.［2］，N.E.Afonina［3］通過數值模擬火星再入飛行發現不同壁面催化條件熱流相差1倍還多。

壁面催化的概念很早就為人們所關注，Goulard R.J.［4］首先對比了幾種典型金屬和氧化物材料的壁面催化復合系數并通過試驗給出了這幾種材料對于氧原子的復合催化系數的大致數值。Inger G.R.［5－6］發現除了受材料的表面物理化學特性影響外，壁面溫度是影響壁面催化能力的一個重要因素，并給出了關于某碳基材料的壁面催化復合系數隨溫度的擬合關系式。一般認為原子在壁面上主要發生以下兩種類型的復合過程［7］:1)自由原子撞上吸附原子復合成氣體分子(Eley-Rideal復合模型);2)壁面上吸附原子相遇復合成氣體分子(Langmuir-Hinshelwood復合模型)。……