高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

发布时间：2024-03-31 03:02

　　高超声速流动在头激波压缩后常处于高温条件下的热化学非平衡状态.本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动.态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合Euler方程或驻点线上的降维Navier-Stokes方程,数值求解得到了高温流动中的精细热化学非平衡状态.而双温度模型假设氧气的振动能级服从B oltzmann分布,通过求解振动能方程得到振动温度.一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散.态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程.无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级分子要经过很长距离后才能达到热平衡.在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布.计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应速率的影响...

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【部分图文】：

图2态-态方法计算得到的各物理量随正激波后距离的变化曲线

图2给出了态-态计算得到的激波后各物理量随松弛距离的变化曲线.值得注意的是，来流氧气经激波压缩，气体平动温度远大于振动温度(振动温度经激波不变).沿激波波后方向，氧分子通过V-T传能使得振动温度上升、平动温度下降；同时高温还使得氧分子发生离解，氧原子质量分数增大，平动温度进一步下....

图3激波后不同位置振动能级归一化数密度分布

为了详细分析松弛过程中的振动能级分布变化，图3给出了5个位置的归一化振动能级的数密度分布.在激波处(x=0)，由于热化学反应尚未开始，振动能级处于低温状态下的平衡分布.通过激波后，由于振动能远小于平动能，V-T和V-V-T过程首先发生.激波后(x=0.09,0.29mm)的流场....

图1不同模型计算得到的的V-V-T反应速率常数对比

前面已经提到，准经典轨道(QCT)方法能够给出更精确的基元反应速率常数.文献中已有O2(i)+O的离解反应、V-T反应以及O2(i)+O2离解反应的反应速率常数QCT计算数据库[13,28-29].本文综合FHO模型与QCT结果，得到了高温O2/O混合物的所有振动态反应速率常数.....

图4不同振动能级归一化数密度在激波后的分布

本文还采用常用的6种双温度模型预测热化学非平衡松弛过程.图5和图6分别给出了预测的正激波后温度和氧原子质量分数结果，其中含态-态计算结果、4种基于双温度假设的耦合模型计算结果以及文献[13]中的相关实验结果.可以看出，态-态计算结果与实验数据符合较好，尤其是氧原子质量分数分布更接....

本文编号：3943347