3.4　中低近空间尖头体气动加热特性预测及高热流控制的探索

稀薄气体动力学和高温气体动力学是流体力学研究中还不十分成熟的两个分支学科，相关流动问题涉及分子碰撞、化学反应和宏观流动等多尺度耦合，以及流动、传热和化学反应等多学科耦合，理论解析工作十分困难。在工程上解决稀薄过渡流区和化学非平衡流动领域问题时，严重依赖于数值模拟和形成于几十年前的经验拟合公式，近几十年几乎没有新理论出现。同时，近年来比较关注的近空间高超声速巡航飞行器，为了追求较高的升阻比和卓越的机动性能，往往采用尖头薄翼的尖前缘外形和非烧蚀热防护技术。根据工程中常用的Fay-Riddell公式，前缘驻点热流率与前缘曲率半径的平方根成反比，当前缘曲率半径逐渐减小并趋于零时，驻点热流率将会趋于无穷大，气动热防护技术遇到新的挑战。高超声速稀薄过渡流区和化学非平衡流动及气动加热问题，涉及多尺度、多物理化学因素，尚无成熟理论可用。基于此，本项目重点开展中低近空间尖头体气动加热特性预测及高热流控制研究，揭示了高超声速流动物理机制，提出了具有定量物理意义的流动判据，并基于这些判据构建了适合工程快速估算的气动热预测桥函数，形成了该问题的工程理论框架体系。本项目主要得到以下结论。

①提出了一种在近连续流动状态下略微钝头驻点区域的物理模型，分析稀薄气体效应的宏观性能，即非线性因子在流动中的作用逐渐增强和热传递。将非线性非傅立叶与线性傅立叶热通量之比定义为特征流量参数Wr，以表示非线性因子的相对影响并表示NSF方程的失效，Wr可测量整个流动状态下稀有气体效应的强度。因此，对于气动热相关问题，提出非傅立叶传热模型，引入具有物理意义的稀薄流动判据Wr；研究表明，判据能够同时描述气动热特性的演变和高超声速稀薄流的流场结构，并能解释相关的物理机制。根据Wr的物理含义和后续扩展，构建了高超声速稀薄流动驻点热流预测桥函数，以预测在稀薄气体作用下尖锐鼻锥的气动热，通过各种比较以及支持DSMC的计算和实验测量，验证了本理论分析的合理性和桥函数的可靠性。此外，还讨论了稀疏化标准在工程实践中的应用。

②基于改进的Lighthill-Freeman IDG模型和分子动力学理论建立了解离-复合速率方程，提出化学非平衡流动模型的数学表达式，用以研究强法向激波后的化学非平衡流，通过物理分析和近似数学处理，进一步构建强激波后平衡离解度、非平衡特征尺度和波前自由流之间的明确分析关系，给出了描述非平衡瞬态过程的简明归一化公式；基于这些结果，构建了强激波后化学非平衡流动特征与波前自由来流参数的显式解析关系式，可通过波前自由流参数对强激波后非平衡流场参数进行直接的近似预测。通过DSMC仿真结果验证了理论建模分析，表明相应的结论在广泛的实践范围内是合理与可靠的，丰富了非平衡激波流动模型的理论框架，对于评估高超声速风洞实验数据和分析CFD结果具有一定的指导作用。

③基于流动特性的现象学分析，提出沿驻点线的能量转移和转化的广义模型，基于此模型，驻点可分为边界层外以解离为主的非平衡流和边界层内以复合为主的非平衡流。根据激波映射分析，引入边界外非平衡流动判据Dad（具有物理意义的Damköhler数），并通过归一化公式，预测边界层外的实际非平衡流动状态。研究表明，边界层内原子复合效应与边界层外非平衡离解度变化等效，进而推导出边界层内复合非平衡判据Dar（特定的Damköhler数）。基于Dad和Dar，构建了高超声速化学非平衡流动驻点热流预测的桥函数，以表征非平衡化学反应对边界层传热的影响，该桥函数直接用于航天器气动热的工程快速估算。

④揭示了稀薄气体效应和非平衡真实气体效应的耦合作用机理，讨论了稀薄气体效应与非平衡真实气体效应耦合作用下真实气体流动的相似律；着重分析了中密度非平衡流下尖锐鼻锥传热的新特征，揭示了下一代飞行器尖锐前缘气动热环境特征。此外，传统大钝头再入飞行器的气动热预报模型无法适用于下一代飞行器。

本项目研究以模型理论分析为主，同时结合数值计算和风洞实验数据的验证，最终建立了工程理论。这在当前该领域严重依赖数值模拟和经验公式的背景下，走出了另一条可行的道路，在国内外都比较鲜见，这些工作有助于更深入地认识稀薄和化学非平衡流动的微观物理机制及其宏观规律，补充完善了相关学科的理论体系，并对其在工程问题中的应用做了成功实践，对推动稀薄和高温真实气体动力学学科发展具有重要意义。更重要的是，本研究建立的工程理论可以为工程标模检验提供理论解析角度的支持。工程实际中该领域研究严重依赖于数值计算和经验拟合公式，风洞和飞行实验代价很高。对于近空间巡航飞行器遇到的新问题，由于缺乏对流动机理的清楚认识，这些方法的可靠性和鲁棒性值得商榷。研究结果表明，对于稀薄气体效应和非平衡真实气体效应耦合作用下的气动加热问题，不存在相似律，这就要求工程实验和计算中要复现真实流动条件和采用全尺寸模型，这很难实现。因此，在实验和计算中遇到的困境，也反过来凸显了理论分析工作的重要性和必要性。