应用微波-电子束等离子体进行高超声速流动控制数值研究

本课题针对高超声速流动中的微波-电子束等离子体作用展开数值模拟分析研究。研究主要包括如下三个部分的内容：理论建模分析，数值模拟和流动控制效应研究，具体为：微波-电子束等离子体建模与理想情况分析，微波-电子束等离子体流动控制的数值模拟研究，微波-电子束等离子体流动控制效果与应用研究分析。按项目计划，完成了2011~2013各年度全部研究内容。课题成果和结论如下：.（1）以高超声速再入飞行器流动和超燃冲压发动机流动为背景，基于已有的结构网格和叉树网格的三维Navier-Stokes方程组有限体积求解方法，考虑了化学平衡和热化学非平衡模型的建立和引入，涉及气体组分和电子数密度的计算，进而建立等离子体流动的热力学关系计算方法和电导率计算方法。.（2）研究分析了等离子体流动中多物理模型的处理策略，对化学反应、热力学非平衡、电磁作用模型和处理方法进行了研究分析，对隐式处理进行了分析。为了使等离子体数值模拟方法能够更好地应用于三维流场结构的模拟，减小网格量，发展了一套完整的三维自适应各向异性叉树网格方法，实现了对激波等流场结构的细致捕捉。基于已有的模拟算法发展了并行模拟方法，并对影响并行性能的各种因素进行了初步的探讨和分析。.（3）针对基于电子束电离的高超声速飞行器进气道波系控制数值模拟研究。对低磁雷诺数等离子体流动控制的模拟显示，等离子体影响能够使斜激波向远离壁面的方向偏离，激波控制效应明显，具有实际应用价值。.（4）将MHD斜激波控制方法应用于二级马赫6进气道前体激波控制，结果显示，MHD激波控制可在飞行器飞行马赫数大于设计马赫数时，使激波发生偏折，两级激波重新交汇到进气道唇缘上，使流动状态更符合设计要求。.（5）针对高超声速管道流中的电子束电离等离子体流动控制进行了数值模拟。模拟得到了电子束能量沉积与电子数密度的分布，以及流场的参数，反映出洛伦兹力引起的了流动减速效果。