輻射平衡壁溫下有限催化模型數值模擬

莫 凡, 王鎖柱, 高振勛

(1. 北京航空航天大學航空科學與工程學院, 北京 100191;2. 北京航天長征飛行器研究所, 北京 100076)

引 言

高超聲速飛行器在大氣中進行高Mach數飛行時, 來流經過頭部脫體激波的劇烈壓縮后往往能達到很高的溫度[1], 導致高溫空氣中發生復雜的化學反應. 一般情況下, 在2 500 K以上空氣中的氧氣開始離解, 4 000 K以上氮氣開始離解, 而到9 000 K以上氧原子和氮原子將進一步電離.

當離解之后的高溫空氣到達飛行器表面時, 表面材料會對空氣中的原子和離子產生顯著的催化復合作用, 這種催化復合作用將改變飛行器壁面附近各組分的質量分數梯度分布, 引起流場中輸運特性的改變, 進而顯著改變壁面熱流密度的分布. 已有研究表明, 在高Mach數情況下關鍵部位防熱材料表面的催化復合效應最高將帶來近50%以上的氣動熱載荷[2]. 因此在CFD模擬中, 催化邊界條件的確定往往非常重要, 完全非催化(non-catalytic wall, NCW)和完全催化(full-catalytic wall, FCW)[3]是高超聲速飛行器氣動熱環境數值模擬中最常用的兩種催化邊界條件. 完全非催化假設壁面催化復合速率為0, 即壁面組分質量分數的梯度為0. 而完全催化一般假設壁面來流原子的離子在壁面完全復合, 此時壁面組分質量分數的梯度也將最大.

然而, 以上兩種組分邊界條件均不能反映實際發生的壁面催化過程, 實際飛行中均為有限催化情況, 因此必須使用有限催化[3](finite-rate catalysis, FRC)邊界條件才能反映真實的壁面催化效應, 該邊界條件的關鍵在于……