高超声速流场中液滴云相互作用的数值分析研究学术报告

一、作者及发表信息
本研究由Texas A&M University机械工程系的Prithvi Ramesh和Dorrin Jarrahbashi合作完成，于2025年7月24日发表在期刊 *Physics of Fluids*（Volume 37, Article 073371），DOI号为10.¹⁰⁶³⁄₅.0270235。

二、学术背景
1. 研究领域：本研究属于高超声速空气动力学与多相流交叉领域，聚焦于高超声速飞行器再入大气层时与大气水凝物（如雨滴、冰晶、雾等）的相互作用。
2. 研究动机：高超声速飞行器（速度超过马赫6）再入时，大气中的水凝物会与飞行器激波结构相互作用，导致液滴破碎、蒸发，可能威胁飞行器表面及热防护层。现有实验手段难以捕捉瞬态多尺度现象，亟需数值模拟填补空白。
3. 科学问题：液滴在复杂激波结构中的行为（如破碎、蒸发）及其对飞行器表面撞击概率和能量的影响尚不明确。
4. 研究目标：通过欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian, EL）耦合方法，模拟液滴云在两种典型几何（双楔形和锥-柱-裙体）高超声速流场中的行为，预测撞击风险。

三、研究流程与方法
1. 模型构建
- 欧拉相：采用开源CFD软件OpenFOAM中的密度基求解器rhoCentralFoam，结合Kurganov-Tadmor中心迎风格式求解可压缩Navier-Stokes方程，忽略湍流模型（基于DNS-like假设）。
- 拉格朗日相：追踪离散液滴，考虑气动阻力、破碎（KH-RT模型）和蒸发（Sazhin模型），采用Loth等提出的阻力系数模型（涵盖高马赫数效应）。
- 双向耦合：动量交换采用双向耦合，能量与质量交换因边界层加载量低而采用单向耦合。

1. 几何与工况

   • 双楔形（DW）：二维结构，前楔角30°、后楔角55°，马赫7来流，模拟400μs稳态流场后引入200–1000μm液滴云。
     
   • 锥-柱-裙体（CCF）：三维结构，锥角5°、裙角10°，马赫6来流，初始液滴直径800–1000μm，距壁面2.5mm排列。
     

2. 关键模型校准

   • KH-RT破碎模型：基于Chauvin等（2025）的激波管实验（韦伯数We=824）校准参数（如Bo=0.01, Crt=0.1）。
     
   • 验证：通过激波管多相流实验验证EL框架的准确性，对比压力上升数据误差%。
     

3. 数据处理

   • 统计方法：分析液滴在流场不同区域（分离区、激波区、膨胀区）的直径分布、滞留时间、动能等。
     
   • 可视化：通过密度梯度、马赫数云图展示激波结构与液滴轨迹交互。
     

四、主要结果
1. 双楔形（DW）流场中的液滴行为
- 破碎效应：液滴通过前激波后破碎为40–100μm子液滴，小液滴易被分离区涡旋捕获，滞留时间延长（150–200μs峰值），而固体颗粒则偏向膨胀区逸出。
- 动能变化：破碎后液滴在分离区内受涡旋加速，比动能（J/kg）随初始尺寸增大而升高（如1000μm液滴达1.5×10^5 J/kg），而固体颗粒因惯性主导呈减速趋势。

1. 锥-柱-裙体（CCF）的液滴-壁面交互

   • 边界层效应：液滴进入边界层后减速，距壁面<0.5mm，并在柱-裙交界处因分离区涡旋反向运动，形成潜在撞击点（0.526m处）。
     
   • 流场扰动：液滴路径周围产生局部高速区（马赫数升至6），导致边界层“缓冲效应”，减少壁面撞击概率。
     

2. 相变影响

   • 蒸发量：32μm液滴蒸发质量占比达4%，而1000μm液滴仅0.07%，表明大液滴撞击前未完全蒸发。
     
   • 轨迹影响：相变对液滴运动轨迹影响可忽略，尤其在边界层内热传导时间尺度（~10^-2 s）远大于液滴通过时间（~10^-4 s）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了高超声速流场中液滴破碎与边界层涡旋耦合的动力学机制，填补了激波-多相流相互作用的理论空白。
- 验证了KH-RT模型在高韦伯数（We>500）条件下的适用性，为后续多相流模拟提供参数基准。

1. 工程应用：
   
   • 预测了液滴撞击高风险区域（如CCF的柱-裙交界处），为热防护系统设计提供依据。
     
   • 表明大液滴（>100μm）即使部分蒸发仍可能撞击表面，需优化材料抗冲击性能。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将EL模型与KH-RT破碎、Sazhin蒸发模型耦合，实现高超声速多相流全流程模拟。
2. 发现创新：揭示液滴破碎促进边界层滞留的“涡旋捕获”效应，挑战了传统固体颗粒偏转理论。
3. 数据价值：提供不同尺寸液滴的动能分布、蒸发率等关键参数，支撑飞行器抗粒子侵蚀设计。

七、其他
研究开源了OpenFOAM求解器改进代码，并建议未来结合3D瞬态模拟与实验验证边界层转捩影响。