热化学建模对高超声速激波/湍流边界层相互作用的影响

热化学非平衡可以改变高超声速激波/湍流边界层相互作用的结构、载荷和时间尺度，但其在完全湍流构型中的作用在很大程度上仍未量化。本工作通过三次直接数值模拟来解决这个问题，模拟了斜激波冲击湍流高焓边界层，边缘马赫数$M_e=6.4$，滞止焓$H_e=16.9$ MJ/kg。模拟具有相同的几何形状和自由流条件，但采用了逐渐简化的热化学描述层级：有限速率反应情况、单组分热完全气体模型和单组分量热完全模型。反应模拟表明，激波引起的温升显著增强了相对于来流边界层的化学活性，在相互作用下游达到解离产物的峰值浓度。因此，热和化学响应并不同步：成分滞后于激波系统施加的快速热强迫，湍流Damk"ohler数在回流区内达到量级为一的值，表明湍流-化学相互作用不可忽略。三种模型的比较表明，热完全和量热完全描述产生相似的预测，而有限速率化学产生系统性差异：更小的分离泡、更低的相互作用后壁面热通量、更低的平均和脉动温度，以及更不倾斜的反射激波。在当前状态下，主要的建模区别因此在于冻结和化学反应描述之间，量热模型效应仅起次要作用。