题目：高超声速热化学非平衡流场数值模拟研究

真实气体效应是高超声速空气动力学的关键问题。热、化学非平衡效应是其中的难点。研究热化学非平衡流动机理具有重要的理论意义和工程价值。本文以数值模拟为研究手段，针对热、化学非平衡流动，提出了空间格式改进的新方法，系统全面的分析了计算的影响因素，深入讨论了流动现象，阐释了非平衡流动影响机理，揭示了部分情况下非平衡流动的规律，取得一些进展： 在数值算法方面，开展了空间格式方面的研究。将目前CFD界较为先进的6类9种空间格式——Roe格式、AUSM类格式、CUSP类格式、MAPS格式、LDFSS格式和HLLC格式由完全气体扩展至热、化学非平衡气体。 对于混合差分格式，在系统分析界面统一数值声速处理的基础上，结合非平衡流动特点，提出了采用Roe平均音速的改进方法。该方法可以明显提高格式的鲁棒性，部分抑制驻点区域压力振荡和提高斜激波的捕捉能力。经数值实验证明，该改进方法是成功的。 在数值计算影响因素方面，以不同空间格式和化学反应模型为主，对流动的影响进行了全面探讨。选取了9种空间格式和6种化学反应模型系统分析。结果表明：①对热化学非平衡流的计算，空间格式的差异对流场各物理量均有一定影响，壁面热流受格式数值粘性的影响更为严重。与其他格式相比，Roe格式以较为严格的构造方式具有一定优势；②化学反应模型的不同会对温度、密度、组分质量分数和激波位置造成较大影响，而对压力影响很小；③对激波位置、密度及组分质量分数的计算，不同化学反应模型的影响比不同空间格式影响更大，对压力的计算则相反；④非催化壁面条件下，不同化学反应模型对热流的影响小于不同空间格式的影响。本文的研究为空间格式和化学反应模型的选取提供了参考依据。 针对再入过程中稀薄气体滑移流区的热化学非平衡流动，本文引入了滑移边界条件进行研究，深入分析并得到一些有益结论：①采用滑移边界条件会影响流场物理量分布，为了保证热流的正确预估，滑移流区的计算必须使用滑移边界条件；②随着飞行高度的增加，气体稀薄程度增大，飞行器物面热流值减小而气动热加热程度增大，流场中化学反应程度减弱，采用不同温度模型计算的物理量和壁面热流分布差异减小；③在滑移流区，采用滑移边条的双温模型可以较为准确的预估热流值，而在过渡区，其热流计算值偏高。 最后，本文研究了典型再入过程，热、化学非平衡效应的流场影响，从不同气体模型与壁面催化条件的角度进行了机理性分析，得到一些规律性结果：①不同气体模型对飞行器头部脱体激波位置和驻点线物理量分布影响较大；②对物面压力，波后区域，气体模型影响更大，化学反应接近冻结区域，不同催化条件影响更强③对于气动热，非平衡气体模型热流计算值低于完全气体，完全催化壁面条件的热流计算值高于非催化壁面。与不同温度模型相比，不同催化壁面对热流的影响更严重。