莫 凡, 王锁柱, 高振勋

(1. 北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京 100191;2. 北京航天长征飞行器研究所, 北京 100076)

引 言

高超声速飞行器在大气中进行高Mach数飞行时, 来流经过头部脱体激波的剧烈压缩后往往能达到很高的温度[1], 导致高温空气中发生复杂的化学反应. 一般情况下, 在2 500 K以上空气中的氧气开始离解, 4 000 K以上氮气开始离解, 而到9 000 K以上氧原子和氮原子将进一步电离.

当离解之后的高温空气到达飞行器表面时, 表面材料会对空气中的原子和离子产生显著的催化复合作用, 这种催化复合作用将改变飞行器壁面附近各组分的质量分数梯度分布, 引起流场中输运特性的改变, 进而显著改变壁面热流密度的分布. 已有研究表明, 在高Mach数情况下关键部位防热材料表面的催化复合效应最高将带来近50%以上的气动热载荷[2]. 因此在CFD模拟中, 催化边界条件的确定往往非常重要, 完全非催化(non-catalytic wall, NCW)和完全催化(full-catalytic wall, FCW)[3]是高超声速飞行器气动热环境数值模拟中最常用的两种催化边界条件. 完全非催化假设壁面催化复合速率为0, 即壁面组分质量分数的梯度为0. 而完全催化一般假设壁面来流原子的离子在壁面完全复合, 此时壁面组分质量分数的梯度也将最大.

然而, 以上两种组分边界条件均不能反映实际发生的壁面催化过程, 实际飞行中均为有限催化情况, 因此必须使用有限催化[3](finite-rate catalysis, FRC)边界条件才能反映真实的壁面催化效应, 该边界条件的关键在于……