非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法及电子设备

技术领域

本发明涉及空气动力学技术领域，更具体地，涉及一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法及电子设备。

背景技术

随着高超声速飞行技术的发展，新一代长航时临近空间高超声速飞行器成为各航天大国研究的热点，该类飞行器飞行时间长、外形复杂，高超声速飞行形成的等离子体鞘套具有复杂的动态特性，传统的黑障回避技术不再适用，急需探索突破黑障的新方法，这使得对高超声速复杂外形飞行器外流场等离子体预测的问题逐渐突出。等离子体的预测需要使用包含带电粒子的化学反应模型，如七组元、十一组元空气模型，组元数量增加除直接提升化学反应模拟计算量外，还会间接增大黏性系数的计算开销。以工程常用的混合物黏性计算方法Wilke混合率为例，其算法复杂度为O(n

基于此，本文针对高温气体混合物黏性系数计算，设计了一种Wilke 混合率和Palmer直接加和法相结合的、适用于非平衡高温气体混合物黏性系数计算的混合算法，该算法能够根据流动状态调整计算策略，有效减少了自由来流区域、近壁面原子复合区域以及气体接近完全离解区域内混合物黏性系数计算开销，提高了对高超声速复杂流场的模拟效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法及电子设备，实现对自由来流区域和近壁面低温平衡区域内黏性系数的快速计算，在保障计算精度的同时有效地降低了全场黏性系数计算开销，提高程序运行效率。

为实现上述目的，本发明提出了一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法，其特征在于，包括：

采用Gupta拟合公式计算混合物中各组元的黏性系数；

判断所述组元是否为带电粒子，若为带电粒子，则根据当地自由电子分压修正所述组元的黏性系数，并将修正结果作为所述组元的当量组元黏性系数；

若所述组元为中性粒子，则读取当地的单原子分子的摩尔占比，同时，判断所述摩尔占比是否满足设定的阈值条件，若满足，则采用Wilke混合率计算的修正量对所述组元的黏性系数做修正，并将修正结果作为所述组元的当量组元黏性系数，若不满足，则直接将所述组元的粘性系数作为所述组元的当量组元黏性系数；

加和计算各组元摩尔占比与当量组元黏性系数乘积，获得所述混合物黏性系数。

本发明还提出一种电子设备，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行以上所述的非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法。

本发明的有益效果在于：

本发明通过采用Gupta拟合公式计算混合中各组元的黏性系数，若为带电粒子，则根据当地电子分压修正组元黏性系数，并作为该带电粒子的当量组元黏性系数，若为中性粒子，读取当地单原子分子摩尔占比，若满足阈值条件，则参照Wilke混合率算法对组元黏性系数进行修正，并把修正结果作为该中性粒子的当量组元黏性系数，若不满足，则直接将Gupta 多项式拟合结果作为当量组元黏性系数，加和组元摩尔占比与当量组元黏性系数乘积，作为混合物黏性系数，实现兼顾了对高温、非平衡区域内黏性系数计算准确性，能够实现对自由来流区域和近壁面低温平衡区域内黏性系数的快速计算，在保障计算精度的同时有效地降低了全场黏性系数计算开销，大大提高了程序运行效率。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明实施例的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法的步骤图；

图2示采用本发明的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法进行RAM-C II飞行试验流场等离子体分布预测中的RAM-C II飞行实验电子数密度峰值分布图；

图3示出了采用本发明的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法进行RAM-C II飞行试验流场等离子体分布预测中的RAM-C II飞行实验静电探针站位壁面法向电子数密度分布图；

图4示出了采用本发明的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法进行ELECTRE飞行试验293s热流与压力分布分布预测中的ELECTRE 飞行实验293s壁面热流分布对比图；

图5示出了采用本发明的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法进行ELECTRE飞行试验293s热流与压力分布分布预测中的ELECTRE 飞行实验293s壁面压力分布对比图；

图6示出了采用本发明的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法进行计算效率测试中的定常流场迭代求解耗时图；

图7示出了采用本发明的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法进行计算效率测试中的每百步迭代耗时图。

具体实施方式

目前对高温气体的黏性系数计算主要有：分子动理论推导的碰撞积分的理论方法、多项式拟合和Wilke混合率相结合的工程方法两类，两种方法对混合物黏性系数计算的算法复杂度都为O(n

而本发明的非平衡高温气体混合物黏性系数方法模型，兼顾了对高温、非平衡区域内黏性系数计算准确性，和对自由来流区域和近壁面低温平衡区域内黏性系数计算的快速性，在保障计算精度的同时有效地降低了全场黏性系数计算开销，大大提高了程序运行效率。

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了本发明实施例的一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法的步骤图；

如图1所示，一种非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法，包括：

步骤S101：采用Gupta拟合公式计算混合物中各组元的黏性系数；

在一个具体应用场景中，基于本发明方法设计非平衡高温气体混合物黏性系数计算模型，模型包括高温气体黏性系数计算模块。

首先调用高温气体黏性系数计算模块，采用Gupta拟合公式计算不同组元黏性系数，其中重粒子拟合参考温度选取重粒子平动温度，自由电子拟合参考温度选取自由电子平动温度。

步骤S102：判断组元是否为带电粒子，若为带电粒子，则根据当地自由电子分压修正组元的黏性系数，并将修正结果作为组元的当量组元黏性系数；

在上述具体应用场景中，Gupta多项式拟合给出的带电粒子黏性系数，是在临界自由电子分压下得到的，在任意自由电子分压下，需要通过以下公式进行修正：

其中，

然后把根据当地自由电子分压修正得到当量组元黏性系数。

需要说明的是，直接将修正后的带电粒子黏性系数作为当量组元黏性系数，这样做是基于两个事实：一是流场中带电粒子的摩尔占比一般很小，通常比中性粒子低数个量级，由此带来的误差对混合物黏性系数计算影响较小；二是不论是Wilke混合率还是Palmer直接加和法计算的带电粒子黏性系数值，与碰撞积分给出的理论值间都存在较大差距，且互有优劣。

步骤S103：若组元为中性粒子，则读取当地的单原子分子的摩尔占比，同时，判断摩尔占比是否满足设定的阈值条件，若满足，则采用Wilke混合率计算的修正量对组元的黏性系数做修正，并将修正结果作为组元的当量组元黏性系数，若不满足，则直接将组元的粘性系数作为组元的当量组元黏性系数；

具体地，本发明设计的混合算法，仅在气体离解度不高或接近完全离解的状态下，对中性粒子使用Palmer直接加和法计算当量组元黏性系数，在其他状态下，需要参考Wilke混合率对组元黏性系数做出修正，在算法切换过程中设置一段过渡区，保证当量组元黏性系数的求解连续性。

在上述具体应用场景中，采用Wilke混合率计算修正量，修正并得到各组元的当量组元黏性系数，在两种方法间设立过渡区，过渡区内采用加权的方式给出混合物黏性系数。

其中，修正量通过以下公式计算：

其中，φ

选用单原子分子摩尔占比作为Wilke混合率算法切换的判断依据，当地的单原子分子的摩尔占比可以通过读取当地流动状态获得，根据使用经验，将Wilke混合率算法开启与关闭阈值分别设为当地的单原子分子的摩尔占比3％和97％，对应的过渡区分别设为当地的单原子分子的摩尔占比为 3％～7％、7％～93％和93％～97％。

即阈值条件具体包括：

第一阈值条件：当地的单原子分子的摩尔占比x

第二阈值条件：当地的单原子分子的摩尔占比x

第三阈值条件：当地的单原子分子的摩尔占比x

当摩尔占比位于0.03

μ

其中，μ

当摩尔占比位于0.07≤x

μ

其中，μ

当摩尔占比位于0.93

μ

其中，μ

在其它区间内则直接将组元的粘性系数作为组元的当量组元黏性系数，即当地的单原子分子的摩尔占比x

μ

其中，μ

步骤S104：加和计算各组元摩尔占比与当量组元黏性系数乘积，获得混合物黏性系数。

在上述具体应用场景中，最后由当量组元黏性系数、组元摩尔占比计算混合物黏性系数，输出结果，结束模块调用。

本应用示例分别选取了RAM-C II和ELECTRE飞行实验数据，验证了本发明的非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法对流场、壁面物理量分布计算的准确性，以及测试了改进算法对计算效率的提升情况。

示例1，RAM-C II飞行试验流场等离子体分布预测

RAM-C II实验飞行实验体为钝锥构型，头部半径15.24cm，锥身半顶角9°，全长127cm，沿锥身四个位点布置有反射计，用于测量壁面法向电子数密度峰值，在尾舵距离壁面8cm的范围内布置八根静电探针，用于测量壁面法向电子数密度分布。验证选取RAM-C II飞行弹道上61.0km、 71.0km、76.2km和80.8km四点，表1给出了选定工况的详细来流数据。

表1 RAM-C II飞行实验来流条件

验证计算采用Dunn-Kang十一组元模型和热非平衡三温度模型，壁面设为完全催化等温壁面，壁面温度固定1000K，采用流向×法向＝80×100的结构网格划分流场，在壁面及激波处加密网格，保障计算收敛。

图2对比了数值程序预测的流场电子数密度峰值分布结果与反射计测量结果，图中结果显示，在高度61.0km工况下数值预测与实验测量结果偏差最大，但仍然保证偏差在半个量级之内，而在其他工况条件下，数值预测与实验测量结果相一致。

图3对比了静电探针站位近壁面电子数密度预测值与静电探针测量值，数值计算给出的电子数密度分布预测值与实验测量吻合较好，最大偏差不超过半个量级，在高度76.2km、80.8km工况下两者几乎完全一致。综上所述，本发明提出的改进算法，能够保证对流场电子数密度峰值分布和近壁面黏性层内等离子体分布计算准确性，说明该方法对流场等离子体预测的可靠性。

示例2，ELECTRE飞行试验293s热流与压力分布分布预测

ELECTRE实验模型为钝锥构型，全长2m，前缘半径175mm，锥身半顶角4.6°，实验第293s实验体飞行高度53.3km，飞行速度4230m/s。验证选用四分之一模型，采用结构网格划分流场，总网格量193536，在激波与壁面附近加密网格，壁面第一层网格保持为10

图4显示改进前后程序对壁面热流分布预测基本一致，改进后的模型对尾部区域的热流预测相对较高，更接近飞行实验测量结果。

图5中两条曲线完全重合，说明改进前后的模型对壁面压力预测完全一致。上述对比结果证明了，本文提出的混合物黏性系数计算模型对壁面物理分布预测的可靠性。

示例3，计算效率测试

混合物黏性系数算法效率测试选用与示例2一致的网格、来流条件及边界条件，总网格量193536，假设流场处于热平衡状态，化学反应采用Dunn-Kang模型模拟，对比了七组元和十一组元两种情况。测试考核了改进前后模型求解定常场的效率，在迭代开始前用来流条件初始化流场，每迭代100步输出一次程序运行总时间，共迭代10000步。

图6中曲线结果显示，本文提出的非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法能够有效提升程序运行效率，缩短迭代总耗时。

图7中采用Wilke混合率的算例每百步迭代耗时曲线，在整个迭代过程中几乎不变，而采用本文提出改进方法的算例每百步迭代耗时曲线，在整个迭代过程中逐渐增长，这体现了本文提出方法根据迭代进行、非平衡区域扩大，自动切换混合物黏性系数计算方法的能力。

表2进一步给出了改进前后程序求解定常流场每百步平均耗时对比，在七组元条件下，本文提出的改进方法每百步平均耗时相对Wilke混合率减小约10％，而在十一组元条件下，改进方法耗时减少近20％，这说明改进方法相对Wilke混合率的优势，随组元数量的增加而扩大。以上对比说明，本文提出的改进方法能够有效地降低非平衡高温气体混合物黏性系数计算复杂度、极大地提升程序运行效率。

表2每百步迭代平均耗时对比

本发明实施例还提出一种电子设备，电子设备包括：

至少一个处理器；以及，

与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行以上实施例的非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法。

根据本公开的电子设备包括存储器和处理器，该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。

该处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本公开的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。

本领域技术人员应能理解，为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本公开的保护范围之内。

有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。

本发明实施例还提出一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使计算机执行以上实施例的非平衡高温气体混合物黏性系数计算方法。

根据本公开实施例的计算机可读存储介质，其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时，执行前述的本公开各实施例方法的全部或部分步骤。

上述计算机可读存储介质包括但不限于：光存储介质(例如：CD－ROM 和DVD)、磁光存储介质(例如：MO)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置ROM的媒体(例如：ROM盒)。

需要说明的是本发明未公开的技术属本领域技术人员公知常识。

综上，本发明相较于现有技术具有如下优点：

目前对高温气体的黏性系数计算主要有：分子动理论推导的碰撞积分的理论方法、多项式拟合和Wilke混合率相结合的工程方法两类，两种方法对混合物黏性系数计算的算法复杂度都为，计算开销随考虑组元数增多呈现几何增长。在自由来流区域和近壁面低温平衡区域内，通常情况下除氮气和氧气外其他组元可以忽略，不论采用理论方法或是采用Wilke混合率计算混合物黏性系数都会造成一定的计算资源的浪费，且浪费程度随组元数增多呈几何增长。而本文设计的非平衡高温气体混合物黏性系数模型，兼顾了对高温、非平衡区域内黏性系数计算准确性，和对自由来流区域和近壁面低温平衡区域内黏性系数计算的快速性，在保障计算精度的同时有效地降低了全场黏性系数计算开销，大大提高了程序运行效率。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。