考虑稀薄效应的再入飞行器前缘热化学反应与烧蚀模型研究OA

高温气流与飞行器表面材料的多物理、化学作用导致飞行器表面形貌显著变化,影响流动结构演化与飞行器气动力、热特性。准确预测再入过程的表面材料烧蚀过程对于飞行器热防护系统的设计至关重要。现有的气动烧蚀数值模拟研究主要针对固定壁面温度条件的流场变化,忽视了烧蚀过程中复杂化学反应与壁面材料性质差异导致的升温过程及烧蚀形貌的影响。本研究基于直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,耦合壁面能量守恒方程,采用开源程序SPARTA对飞行器再入时的气动加热过程开展解耦分析。以柱体模型为例,综合激波后的气-气与气-固化学反应,对解耦后的壁面升温和模型烧蚀两个过程分别建立了相应的控制方程,并分析了在二维条件下的热化学反应与气动烧蚀机制。研究结果表明,本研究开发的可计算烧蚀模型不仅能够提升激波后气体分子内能采样的准确性,也能够复现文献中已有的烧蚀形貌。该模型不仅复现了圆柱烧蚀时前后缘的差异烧蚀形貌,还在引入表面粗糙度对气动加热的放大效应后,使球锥烧蚀退缩距离的预测结果与实验数据的相对误差控制在5%以内。该方法首次在DSMC框架内综合体现了壁面材料特性、变壁温效应以及表面粗糙度对烧蚀过程的物理影响,能够为深入理解变壁面温度下的复杂热化学非平衡现象提供理论依据与数据支撑。