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1、传感器催化特性差异对气动热影响的计算分析 丁明松 董维中 高铁锁 江涛 刘庆宗 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 摘 要： 针对高温气体效应及壁面催化效应对气动热环境影响, 考虑高温空气各种化学反应、分子振动激发、流动中的非平衡效应以及壁面催化复合反应, 通过数值求解热化学非平衡 N-S 方程和壁面能量、质量平衡方程, 完善了有限催化条件下高温热化学非平衡流场气动热环境数值模拟方法和程序。在此基础上, 针对廉金属热电偶传感器热流测量问题, 开展了不同条件下高超声速热化学非平衡流场气动热环境数值模拟, 分析了催化特性差异对局部气动热环境 (传感器表面热流) 的影响规律, 为试验数据的
2、误差带分析、修正处理和使用提供参考。研究表明:1) 催化特性差异会给局部区域带来很强质量扩散热流, 使总热流发生跳变, 给传感器热流测量带来不可忽视的误差;2) 材料催化特性差异越大, 热流跳变量越大, 某些条件下时, 局部热流值将远远高于全表面 FCW 模拟的结果, 其影响量可达 100%以上;3) 本文计算条件下, 飞行马赫数越大、飞行高度越低, 催化特性差异的影响越大;4) 催化特性差异带来的影响还与飞行攻角、飞行器表面温度等因素存在一定关联, 在催化复合系数相同情况下, 表面温度越高, 影响量越大。关键词： 热流传感器; 气动热环境; 高温气体非平衡效应; 催化效应; 数值模拟; 作者
3、简介：丁明松 (1983-) , 男, 博士生, 助理研究员。主要从事气动物理理论与计算工作。通讯地址:四川绵阳涪城区剑门路西段 278 号 A4-2405 (4 号门) 电话:13778066924E-mail:收稿日期：2017-07-27Computational Analysis of Influence on Aero-Thermal Environments Caused by Catalytic Property Distinction of Heat Flux SensorDING Ming-song DONG Wei-zhong GAO Tie-suo JIANG Tao L
4、IU Qing-zong Computational Aerodynamics Institute, China Aerodynamics Research and Development Center; Abstract： Considering high temperature air chemical reactions, gas molecules vibrational excitation, non-equilibrium effects in the flow and the catalytic effect on the vehicle surface, the numeric
5、al simulation method and the corresponding computational codes are developed for the aero-thermal environment of the thermo-chemical non-equilibrium flow by solving3-D thermochemical non-equilibrium Navier-Stokes equations and the mass and energy balance on the surface of the vehicle. The numerical
6、results of the typical example are inconsistent well with the foreign reference data. On this basis, the influence of the local catalytic property distinction is studied for the aero-thermal environment of a hypersonic vehicle with the heat flux sensor under different conditions. These results show
7、that the local catalytic property distinction could obviously lead to the jump heat flux. In some cases, when the local catalytic property distinction is larger, the heat flux is far higher than the result under the full catalytic surface condition of the whole vehicle surface. In the conditions of
8、this paper, it is found that the lower the flight altitude and the greater the Mach number is, the more obvious the influence caused by the catalytic property distinction is. The influence degree is also relevant to the flight attack angle and the surface temperature. Under the similar conditions, t
9、he influence degree is more obvious when the surface temperature is higher.Keyword： Heat flux sensor; Aero-thermal environment; High temperature gas effect; Catalytic effect; Numerical simulation; Received： 2017-07-270 引言高超声速飞行器在再入和滑翔过程中, 如果飞行速度很高 (一般认为马赫 10 以上) , 会出现高温气体非平衡效应1-4。高温下化学反应的吸热效应、气体分子的振
10、动模态激发以及混合气体非完全气体特性会对飞行器气动力、热等特性造成显著影响5-7。高温气体流场中原子和离子在到达壁面时会发生催化复合反应 (即壁面催化效应) , 释放出很大的结合能, 不仅影响非平衡流动, 而且产生较大组分扩散热流, 使飞行器表面气动热环境更加严酷8。研究高温气体非平衡效流动中壁面催化效应对飞行器气动热环境的影响, 一直都是高超声速飞行器研究的热点。在数值模拟中, 催化效应常以边界条件形式给出。完全催化 (Fully Catalytic Wall, FCW) 和完全非催化 (Non-Catalytic Wall, NCW) 是最容易实现的两种壁面催化边界条件, 应用十分广泛。但
11、这两者只模拟了壁面催化的两种极限状态, 要精确模拟催化效应, 还须考虑壁面材料具体的催化特性, 采用有限催化条件 (Partially Catalytic Wall, PCW) 边界计算模型。根据催化复合反应速率常数计算方法不同, 有限催化条件及其模型主要分为两种:一种是指定催化复合系数, 考虑气体分子热运动碰撞频率, 得到催化反应速率常数9-10;另一种是通过气固催化复合反应过程的建模分析, 采用有限速率化学反应动力学方法, 计算催化反应速率常数11。第一种方法相对简单, 有大量材料催化系数试验数据支持12, 因此应用较为广泛13-14。在气动热环境的预测和分析过程中, 表面热流的试验测量
12、(包括飞行试验和地面试验) 是必不可少的研究手段。利用热电效应制成的热电偶, 是目前应用最广泛的检测元件15。例如, 镍铬-镍硅热电偶 (K 型) 是目前用量最大的廉金属热电偶15-16;铜-康铜热电偶 (T 型) 是中低温区最佳的廉金属热电偶17。对于高超声速非平衡流动来说, 由于金属铜或镍等材料的催化特性较强8,18 (常近似认为具有完全催化能力) , 而飞行器表面的隔热材料, 如硅基、碳基材料等表面催化复合系数一般在 0.1 以下9-10,19-20;碳化硅陶瓷涂层, 在被动氧化条件下, 表面产物为二氧化硅, 可视为完全非催化壁面8。这种情况下, 热流传感器 (K 型或 T 型热电偶)
13、的测量面与飞行器表面隔热材料之间的催化特性存在较大差异。在表面热流的试验测量过程中, 如果采用接触式测量技术, 热流传感器的测量面将替代飞行器某一局部区域表面。此时, 由于两者催化特性差异, 高超声速飞行器的局部气动热环境可能发生变化, 热流传感器测得的热流, 可能与飞行器表面无传感器测量时的热流存在一定差别。在高温气体效应以及壁面催化效应方面, 国外研究水平较高, 形成了一些较为成熟的流场软件, 如美国 LAURA 软件21、SPARTA 软件22等。国内近十几年来也有不少学者开展这方面的研究, 如董维中23、高冰24、苗文博25,26、杨肖峰27等, 取得了很多有价值的结论。在热电偶精准测
14、量方面, 国内研究也比较多。如 2013 年, 张洪俊等28开展了镍铬-镍硅热电偶 (K 型) 检定过程中的测量不确定度评定研究。2014 年, 宋川川等29开展了铜-康铜热电偶热镀锡膜焊及其性能对比研究。尽管国内在高温非平衡效应及表面催化效应、热电偶精准测量方面取得了非常大的发展, 但很少见到针对热流传感器测量面与飞行器隔热材料催化特性差异问题开展催化特性差异对局部气动热环境影响的研究, 其作用大小和影响规律尚不十分明确。在以前工作中, 作者所在研究团队对高温气体效应、壁面催化效应和高超声速飞行器气动热环境进行了研究5-8,23,30-31。本文在此基础上, 完善高温气体热化学非平衡流场气动
15、热环境数值计算方法和程序, 针对廉金属热电偶传感器测量面与飞行器表面隔热材料催化特性差异性问题, 开展不同条件下高温气体热化学非平衡流场气动热环境数值模拟, 分析催化特性差异对流场局部气动热环境 (传感器表面热流) 的影响规律, 为试验数据的误差带分析、修正处理和使用提供参考。1 数值计算方法控制方程是三维热化学非平衡 Navier-Stokes 方程, 其无量纲化形式为5:式中:Q 为守恒变量向量, Re 是雷诺数, F, G, H 和 FV, GV, HV分别对应三个方向的对流项和黏性项, W 为热化学非平衡源项。对流项采用 AUSMPW+格式离散, 黏性项采用中心格式离散, 时间离散采用
16、 LU-SGS 隐式方法。为了克服方程刚性, 非平衡源项、对流项和黏性项均采用全隐式处理。具体处理方法详见文献5。2 物理化学模型2.1 热化学反应模型气体模型选用 5 组分或 7 组分的空气模型, 化学反应模型采用 Dunn-Kang 模型5或 Park 模型32。第 i 个化学反应生成源项为:式中 kfi与 kbi分别为第 i 反应正向与逆向反应速率常数, N s为气体组分数, n和 Mn分别为第 n 组分的密度和分子量, in和 in分别为第 i 反应、第 n组分的正反应和逆反应系数。热力学模型采用两温度振动非平衡模型。相关处理方法详见文献5, 6, 30。2.2 表面催化模型和表面温度计算方法NCW 和 FCW 处理详见文献5。对于有限催化 PCW, 主要考虑氮原子 (N) 和氧原子 (O) 复合反应以及电离组分的复合反应33:反应速率常数形式为:式中: r是壁面催化复合
