在化学非平衡状态和表面催化的协同作用下，超音速通道湍流中的统计特性与结构特征研究

《Aerospace Science and Technology》：On the statistic and structural characteristics in supersonic channel turbulent flows under the synergistic action of chemical non-equilibrium and surface catalysis

高焓超声速湍流通道流在化学非平衡和表面催化协同作用下的统计特性与结构特征研究表明，马赫数3、雷诺数4880条件下，表面催化显著改变原子氧质量分数梯度及一氧化氮生成量，其与催化效率呈正相关，但氮氧化物相关性呈现非单调性。流场速度温度脉动对催化不敏感，而压力脉动呈现随催化效率增强的衰减趋势。流谱显示近壁区沿流向延伸的湍流结构，中心区近似各向同性，催化效应对压力场大尺度结构影响有限，但物种与温度场交叉相关性增强，氧原子关联尺度随催化效率增大而缩小。

　　

陈晓平|朱晨韶|杨玉婷

浙江科技学院多流与流体机械重点实验室，中国浙江省杭州市，310018

摘要

我们对马赫数为3、雷诺数为4880、壁温为1500 K的高焓超音速湍流通道流动进行了直接数值模拟。主要目的是研究在化学非平衡和表面催化的协同作用下的统计和结构特性。假设化学非平衡状态下的空气为五组分混合物，并采用了三种表面催化模型，包括无催化、有限速率催化和完全催化。在这些工作条件下，分子氧的解离较为充分，而分子氮的解离相对较弱。表面催化改变了原子氧的质量分数分布，其梯度随催化效率的提高而增加。一氧化氮的生成量与催化效率呈正相关。平均速度和温度对表面催化不敏感，而平均压力和脉动压力随催化效率的提高而降低。物种质量分数信号的流向-展向自相关系数显示，在靠近壁面的区域存在沿流向延伸的相干结构，在中心线处呈现准各向同性分布。尽管表面催化影响了压力信号的大尺度结构，但其整体轮廓仍保持展向延伸的形态。物种质量分数与温度信号之间的互相关系数明显高于压力信号之间的互相关系数。随着催化效率的提高，涉及原子氧的互相关系数的尺度长度显著减小，其最大值也增大。然而，涉及一氧化氮的互相关系数与催化效率之间的关系并非单调的。

部分内容摘录

引言

在高速飞行器设计中分析空气动力热防护系统时，需要深入研究湍流现象，因为超音速/高超音速壁面湍流相比层流湍流具有显著更高的摩擦阻力和热负荷[1]。直接数值模拟（DNS）[2]是一种基本的研究方法，可作为实现高保真模拟的强大计算工具。

流体力学模型

假设流场由处于局部热平衡状态的热完美气体混合物组成，其中振动能量迅速激发并发生化学反应。修饰符^?表示有量纲的流动变量，相应的无量纲流动变量用相同的符号表示（但不带星号）。无量纲化的详细过程在参考文献[54]中有详细阐述。

DNS细节

假设空气为五组分混合物，在热平衡和化学非平衡状态下发生解离，我们使用DNS算法来模拟高焓超音速湍流通道流动。第2节中给出的可压缩纳维-斯托克斯方程采用Van-Leer通量矢量分裂方法和七阶WGVC-WENO格式[69]进行离散化处理，以处理对流项。粘性项采用八阶中心差分近似。

化学活性

图3展示了在不同催化效率下平均物种质量分数$〈Y_s〉的分布。分子氧和分子氮的解离在通道中发生，从而在所有情况下生成新的物种。$

图3显示，$〈Y_O〉和$表现出相反的行为。对于NC情况，两种物质在通道中的分布变化不大；对于分子氮，变化约为0.181；对于原子氧，变化约为0.022。

近壁条纹

图10展示了靠近壁面的流向速度$u^{\prime }的变化情况。可以看到明显的延长区域（蓝色和红色），这些结构被称为近壁条纹。这些条纹主要沿流动方向分布，并且在不同的催化效率下都是一致的。类似的现象也出现在$$T^{″}中，如图11所示。此外，当催化效率保持不变时，两种物质的近壁条纹的展向分布也保持一致。$

结论

高焓效应不仅会影响湍流行为，还会在与湍流耦合时引发更复杂的机制。这对超音速和高超音速飞行器的空气动力热防护设计提出了重大挑战。尽管已有几项关于化学非平衡状态下超音速和高超音速壁面湍流的DNS研究，但目前尚未有关于高焓效应的明确DNS数据。

CRediT作者贡献声明

陈晓平：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。朱晨韶：实验研究、数据可视化。杨玉婷：初稿撰写、验证、数据整理。