论文摘要：高速高温流动的化学非平衡及热辐射耦合效应研究

    高超声速飞行技术是21世纪世界各强国航空航天领域主要发展方向之一。然而，高超声速飞行将面临严酷的气动热考验，“热障”已成为高超声速飞行器研制过程中需要解决的首要困难。当前，高超声速飞行器气动热问题突出地表现在三个方面：传统式再入飞行器头部高温激波层强气动加热、超燃冲压发动机内流道气动热环境预测，以及长航程临近空间高超声速飞行器的气动-热-结构耦合问题。其中前两类问题相关的高速高温流场中均存在剧烈的化学反应和显著的热辐射输运。对此，本论文开展了高速高温流动的化学非平衡及热辐射耦合效应数值模拟研究。在课题组已有研究基础上，本论文的工作侧重于热辐射输运过程的建模与数值求解，实现高速高温流场与热辐射耦合的高效模拟，以及揭示高速高温流场中化学反应与热辐射的相互作用机理，并总结多场耦合条件下的气动加热规律。本论文完成的工作主要包括以下四个方面：

    1. 提出了由光学厚度极限近似、P1微分近似和离散坐标法构成的热辐射输运解算方法库。该方法库能给出准确的辐射能量源项和辐射热流值，可采用有限差分法进行分区域快速求解。相较于常用的一维切平板近似，该方法库更适合与流场求解的有限差分法协同开展大规模并行计算。

    2. 开发了一套完善的高速高温流场热辐射耦合模拟大规模并行计算平台。该平台可模拟包含有湍流效应、有限速率化学反应、热力学非平衡和热辐射输运等多类物理、化学过程的高速高温流动。利用大量高超声速飞行试验、风洞实验和基准算例的数据，从多方面验证了该平台数值结果的可靠性。同时，该平台还集成了多种气体热力学性质的解析和拟合参数、化学反应动力学、热化学非平衡模型和高温气体热辐射特性计算等方面的最新数据。

    3. 应用计算平台所配备的流场-热辐射依次求解策略分别对德国DLR氢燃料发动机燃烧室、美国SCHOLAR乙烯燃料发动机燃烧室和日本JAXA复杂一体化氢燃料超燃冲压发动机构型进行了数值模拟研究。引入该计算策略可极大地节约超燃冲压发动机内流道气动热环境数值模拟计算量。研究发现，热辐射输运量与流场温度和燃气中辐射介质浓度的空间分布形式一致，其中投射辐射的分布更具扩散性。研究还表明，超燃冲压发动机内壁面辐射热流可达10kW/m2的量级，但仍不足对流传热的10%。从而明确了超燃冲压发动机内流道高温燃气热辐射对总气动加热的贡献，具有重要的实际参考价值。

    4. 针对球头模型、轴对称FIRE II试验器和类Apollo飞船外形，开展了再入条件下的高温激波层流场热辐射耦合数值模拟研究。研究表明，热辐射对高温激波层流场具有“冷却”作用，抑制电离反应的进行，而电离反应进程的改变又影响流场特性，再反作用于热辐射，热辐射和化学反应具有耦合效应。研究还给出，FIRE II驻点辐射热流约为对流热流的30%，而类Apollo飞船表面辐射热流峰值高达对流热流峰值的38%，与之类似条件下的再入飞行器气动热研究必须考虑热辐射的影响。该项研究在一定程度上填补了国内再入条件下高超声速非平衡流场与热辐射耦合数值模拟研究方面的空白。

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