面向高超声速非平衡流动与烧蚀材料热响应之间隐式耦合框架的数值仿真
流体动力学
2025-01-08 v1
摘要
提出一种用于飞行轨迹下烧蚀保护材料数值仿真的高超声速非平衡流动与材料热响应之间的隐式耦合框架。当受高超声速流动气动加热作用时，烧蚀材料会发生烧蚀与热解等复杂过程，涉及异质性和均质性化学反应。通过多组分材料热响应(MTR)求解器模拟这些多物理现象，考虑到热解气体组成的复杂性。计算物种浓度以提高热解气体输运与热力学参数的准确性。MTR求解器在有限差分离散化形式上实现隐式时间积分，以实现更高的效率。高超声速流动与材料热响应的数值解通过基于烧蚀表面质量和能量平衡的气-表面相互作用界面进行耦合。耦合仿真采用双时间步技术，引入虚时间步以提高时序精度。显式耦合机制在物理时间步上更新界面数量，实现更高的计算效率，但引入时序离散误差和界面数量的数值振荡。相比之下，隐式耦合机制在虚时间步上更新界面数量，减少时序离散误差并抑制数值振荡，但效率较低。此外，提出一种基于稳态烧蚀假设或辐射平衡假设的简化烧蚀边界，以近似求解固体热传导，无需耦合MTR解，提供烧蚀存在下的准稳态流动解。
引用
@article{arxiv.2410.16601,
title = {An implicit coupling framework for numerical simulations between hypersonic nonequilibrium flows and charring material thermal response in the presence of ablation},
author = {Jingchao Zhang and Chunsheng Nie and Jinsheng Cai and Shucheng Pan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2410.16601},
year = {2025}
}