[發明專利]基于粒子能級布居數的高溫氣體測量與計算融合方法

有效

• 申請號: 202210385414.5
• 申請日: 2022-04-13
• 公開（公告）號: CN114757121B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 陳衛;王磊;粟斯堯;胡華雨;吳俊林
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/25;G01N21/31;G01N21/62;G01N21/64;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 綿陽遠卓弘睿知識產權代理事務所(普通合伙) 51371
• 代理人: 賈曉燕

本發明公開了一種基于粒子能級布居數的高溫氣體測量與計算融合方法，采用原子、分子、離子等粒子的能級布居數表征高溫氣體狀態，并將其作為高溫氣體試驗研究手段的測量目標和數值仿真手段的計算目標，從而促進兩種手段的有效融合，拓展高超聲速高溫氣體非平衡流動研究方法。本發明提出一種基于粒子能級布居數的高溫氣體測量與計算融合方法，采用粒子能級布居數表征高溫氣體狀態，不依賴粒子能級服從玻爾茲曼分布函數的平衡假設，比溫度狀態參數更根本，能實現高溫氣體狀態的量子態分辨，更適用于非平衡高溫氣體流動研究。

技術領域

本發明涉及高溫氣體微觀特性研究領域。更具體地說，本發明涉及一種基于粒子能級布居數的高溫氣體測量與計算融合方法。

背景技術

高超聲速飛行器特別是星際飛行器在進入大氣層時面臨極高溫度氣體熱環境，氣體內部分子振動能、電子能等內能模態激發，離解、電離、復合等化學反應強烈，輻射躍遷、粒子碰撞過程繁多，熱化學平衡過程復雜，嚴重影響飛行器力/熱環境準確預測和飛行器安全。對高溫氣體熱化學特性進行準確診斷和研究，是高超聲速流動基礎前沿研究的重點。以往一般采用振動溫度、轉動溫度、電子激發溫度等多溫度參數表征高溫氣體微觀狀態，而這些溫度的定義都基于相應振動能級、轉動能級和電子能級服從玻爾茲曼分布函數的能級平衡假設，不能滿足能級非平衡問題研究。而在高超聲速高焓流場中，往往出現這類非平衡現象，特別是分子振動能級非平衡現象。另一方面，當前對高溫氣體流動的研究包括實驗研究和數值仿真研究兩種手段，并以實驗測量的熱流、焓值、溫度、壓力等宏觀參數來檢驗數值計算的準確性。以這些宏觀參數為比較目標的實驗研究和數值計算融合方法，是對高溫流動宏觀效應的檢驗，缺乏對其微觀熱力學過程和化學反應過程的直接檢驗。

發明內容

本發明的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優點。

為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種基于粒子能級布居數的高溫氣體測量與計算融合方法，步驟一，基于各類光譜技術測量得到得高溫氣體中原子、分子、離子的能級布居數，通過分析所述粒子布居數的產生機理和演化規律，以建立高溫氣體初步微觀理論模型；

步驟二，基于數值仿真手段對高溫氣體及其宏觀流動進行計算，將計算得到的相應粒子能級布居數又與試驗測量結果進行對比融合，以通過反復迭代最終建立準確且可計算的高溫氣體模型；

其中，所述能級布居數是指高溫氣體中原子、分子、離子等粒子在各自不同量子能級上的分布數量或比例。

優選的是，在對于原子和單原子離子，其量子能級主要是指電子態能級；對于分子和多原子離子，其量子能級包括電子態能級、振動態能級和轉動態能級。

優選的是，所述光譜技術被配置為采用吸收光譜技術、輻射光譜技術、熒光光譜技術、擊穿光譜技術中，能與高溫氣體微觀粒子能級布居數相關聯的一項光譜技術或多項光譜技術的組合。

優選的是，在步驟二中，在采用數值仿真手段對高溫氣體量子態分辨進行計算的過程中，被配置為包括基于玻爾茲曼分布函數的平衡量子態間接計算和不依賴于玻爾茲曼分布假設的非平衡量子態直接計算。

優選的是，在步驟一中，所述能級布居數是通過各類光譜技術測量對某一狀態高溫流場氣體上下游中微觀粒子進行測量，以得到單個或多個能級上的粒子含量及其從上游至下游的演化特性或規律，以此表征高溫氣體狀態，進而建立高溫氣體初步微觀理論模型。

優選的是，在步驟一中，所述高溫氣體初步微觀理論模型是指能描述高溫氣體內能弛豫過程和化學反應過程，且是以量子物理為理論基礎、可區分粒子能級量子態、可計算粒子能級布居數的數值計算模型。

優選的是，所述步驟二中，所述對比融合的過程被配置為包括：

S20，基于測量的上游高溫氣體狀態以及得到的高溫氣體初步微觀理論模型，利用數值仿真手段計算得到流場下游與測量相應的單個或多個能級粒子布居數；