基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法

摘要

本发明公开了一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，采用原子、分子、离子等粒子的能级布居数表征高温气体状态，并将其作为高温气体试验研究手段的测量目标和数值仿真手段的计算目标，从而促进两种手段的有效融合，拓展高超声速高温气体非平衡流动研究方法。本发明提出一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，采用粒子能级布居数表征高温气体状态，不依赖粒子能级服从玻尔兹曼分布函数的平衡假设，比温度状态参数更根本，能实现高温气体状态的量子态分辨，更适用于非平衡高温气体流动研究。

权利要求

1.一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，其特征在于，包括：

步骤一，基于各类光谱技术测量得到得高温气体中原子、分子、离子的能级布居数，通过分析所述粒子能级布居数的产生机理和演化规律，以建立高温气体初步微观理论模型；

步骤二，基于数值仿真手段对高温气体及其宏观流动进行计算，将计算得到的相应粒子能级布居数又与试验测量结果进行对比融合，以通过反复迭代最终建立准确且可计算的高温气体模型；

其中，所述能级布居数是指高温气体中原子、分子、离子等粒子在各自不同量子能级上的分布数量或比例；

在步骤二中，在采用数值仿真手段对高温气体量子态分辨进行计算的过程中，被配置为包括基于玻尔兹曼分布函数的平衡量子态间接计算和不依赖于玻尔兹曼分布假设的非平衡量子态直接计算；

所述步骤二中，所述对比融合的过程被配置为包括：

S20，基于测量的上游高温气体状态以及得到的高温气体初步微观理论模型，利用数值仿真手段计算得到流场下游与测量相应的单个或多个粒子能级布居数；

S21，将光谱测量和数值计算两种手段分别得到的粒子能级布居数及其演化特性或规律进行对比融合，分析二者之间的差异，以通过优化数值仿真手段中的高温气体模型使得计算结果与光谱测量结果趋于一致，以得到高温气体优化微观理论模型；

S22，改变高温流场状态，用高温气体优化微观理论模型替换步骤一中的高温气体初步微观理论模型，并重复步骤一至步骤二，以通过建立的高温气体优化微观理论模型正确描述不同状态高温气体的气体热化学过程。

2.如权利要求1所述的基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，其特征在于，在对于原子和单原子离子，其量子能级包括指电子态能级；对于分子和多原子离子，其量子能级包括电子态能级、振动态能级和转动态能级。

3.如权利要求1所述的基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，其特征在于，所述光谱技术被配置为采用吸收光谱技术、辐射光谱技术、荧光光谱技术、击穿光谱技术中，能与高温气体微观粒子能级布居数相关联的一项光谱技术或多项光谱技术的组合。

4.如权利要求1所述的基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，其特征在于， 在步骤一中，所述能级布居数是通过各类光谱技术测量对某一状态高温流场气体上下游中微观粒子进行测量，以得到单个或多个能级上的粒子含量及其从上游至下游的演化特性或规律，以此表征高温气体状态，进而建立高温气体初步微观理论模型。

5.如权利要求1所述的基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，其特征在于，在步骤一中，所述高温气体初步微观理论模型是指能描述高温气体内能弛豫过程和化学反应过程，且是以量子物理为理论基础、可区分粒子能级量子态、可计算粒子能级布居数的数值计算模型。

说明书

基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高温气体微观特性研究领域。更具体地说，本发明涉及一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法。

背景技术

[0002] 高超声速飞行器特别是星际飞行器在进入大气层时面临极高温度气体热环境，气体内部分子振动能、电子能等内能模态激发，离解、电离、复合等化学反应强烈，辐射跃迁、粒子碰撞过程繁多，热化学平衡过程复杂，严重影响飞行器力/热环境准确预测和飞行器安全。对高温气体热化学特性进行准确诊断和研究，是高超声速流动基础前沿研究的重点。以往一般采用振动温度、转动温度、电子激发温度等多温度参数表征高温气体微观状态，而这些温度的定义都基于相应振动能级、转动能级和电子能级服从玻尔兹曼分布函数的能级平衡假设，不能满足能级非平衡问题研究。而在高超声速高焓流场中，往往出现这类非平衡现象，特别是分子振动能级非平衡现象。另一方面，当前对高温气体流动的研究包括实验研究和数值仿真研究两种手段，并以实验测量的热流、焓值、温度、压力等宏观参数来检验数值计算的准确性。以这些宏观参数为比较目标的实验研究和数值计算融合方法，是对高温流动宏观效应的检验，缺乏对其微观热力学过程和化学反应过程的直接检验。

发明内容

[0003] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

[0004] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，步骤一，基于各类光谱技术测量得到得高温气体中原子、分子、离子的能级布居数，通过分析所述粒子布居数的产生机理和演化规律，以建立高温气体初步微观理论模型；

[0005] 步骤二，基于数值仿真手段对高温气体及其宏观流动进行计算，将计算得到的相应粒子能级布居数又与试验测量结果进行对比融合，以通过反复迭代最终建立准确且可计算的高温气体模型；

[0006] 其中，所述能级布居数是指高温气体中原子、分子、离子等粒子在各自不同量子能级上的分布数量或比例。

[0007] 优选的是，在对于原子和单原子离子，其量子能级主要是指电子态能级；对于分子和多原子离子，其量子能级包括电子态能级、振动态能级和转动态能级。

[0008] 优选的是，所述光谱技术被配置为采用吸收光谱技术、辐射光谱技术、荧光光谱技术、击穿光谱技术中，能与高温气体微观粒子能级布居数相关联的一项光谱技术或多项光谱技术的组合。

[0009] 优选的是，在步骤二中，在采用数值仿真手段对高温气体量子态分辨进行计算的过程中，被配置为包括基于玻尔兹曼分布函数的平衡量子态间接计算和不依赖于玻尔兹曼分布假设的非平衡量子态直接计算。

[0010] 优选的是，在步骤一中，所述能级布居数是通过各类光谱技术测量对某一状态高温流场气体上下游中微观粒子进行测量，以得到单个或多个能级上的粒子含量及其从上游至下游的演化特性或规律，以此表征高温气体状态，进而建立高温气体初步微观理论模型。

[0011] 优选的是，在步骤一中，所述高温气体初步微观理论模型是指能描述高温气体内能弛豫过程和化学反应过程，且是以量子物理为理论基础、可区分粒子能级量子态、可计算粒子能级布居数的数值计算模型。

[0012] 优选的是，所述步骤二中，所述对比融合的过程被配置为包括：

[0013] S20，基于测量的上游高温气体状态以及得到的高温气体初步微观理论模型，利用数值仿真手段计算得到流场下游与测量相应的单个或多个能级粒子布居数；

[0014] S21，将光谱测量和数值计算两种手段分别得到的能级粒子布居数及其演化特性或规律进行对比融合，分析二者之间的差异，以通过优化数值仿真手段中的高温气体模型使得计算结果与光谱测量结果趋于一致，以得到高温气体优化微观理论模型；

[0015] S22,改变高温流场状态，用高温气体优化微观理论模型替换步骤一中的高温气体初步微观理论模型，并重复步骤一至步骤二，以通过建立的高温气体优化微观理论模型正确描述不同状态高温气体的气体热化学过程。

[0016] 本发明至少包括以下有益效果：为实现更精确的非平衡高温气体状态表征及其流动效应研究，本发明提出一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，在量子物理框架下，以原子、分子、离子等粒子的能级布居数取代多温度参数来表征高温气体微观状态，并将其作为高温气体试验研究手段的测量目标和数值仿真手段的计算目标，实现两种手段在微观层面的融合，促进高温流动机理研究。

[0017] 具体来说，本发明的效果如下：

[0018] 1)基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法为高温气体流动研究提供了一种“自下而上”的策略(从微观到宏观)，比常规采用热流、焓值等宏观参数为比较目标进行试验和计算手段融合的“自上而下”策略(从宏观到微观)能对高温气体热化学物理模型进行更直接校验，弥补了“自上而下”策略对高温气体微观特性研究能力的不足。

[0019] 2)粒子能级布居数将光谱测量基本原理和数值计算物理模型统一于量子物理理论框架下，避免了以往由于测量和计算的理论体系不统一造成温度概念不一致，而使得测量与计算两种手段不能有效融合的问题。

[0020] 3)粒子能级布居数不需要温度参数对粒子能级服从玻尔兹曼分布函数的平衡假设依赖，比温度参数更根本，能实现高温气体状态的量子态分辨，更能表征非平衡高温气体本质。

[0021] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

[0022] 图1为本发明基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法流程示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0024] 本发明提供一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，如图1所示，其基本过程是利用各类光谱技术获得高温气体中原子、分子、离子的能级布居数，通过分析这些粒子布居数的产生机理和演化规律，建立高温气体初步微观理论模型，再利用数值仿真手段实现高温气体及其宏观流动计算，计算的相应粒子能级布居数又与试验测量结果进行对比，如此反复迭代，最终建立准确且可计算的高温气体模型。由于并非所有流动区域的所有粒子能级布居数均可被测量到，相比数值仿真手段，试验测量手段可观察的粒子布居数及其演化特性非常少，而数值仿真手段需要试验测量手段提供基础数据支撑和计算结果检验，因此需要两种手段相互迭代融合，才能达到深化高温气体本质认识的目的。

[0025] 具体来说包括以下步骤：

[0026] 步骤一、利用各类光谱测量技术对某状态高温流场气体上下游中微观粒子的能级布居数进行测量，获得单个或多个能级上的粒子含量及其从上游至下游的演化特性或规律，以此表征高温气体状态，并建立高温气体初步微观理论模型；

[0027] 步骤二、基于所测量的上游高温气体状态以及上述初步高温气体微观理论模型或现有其它模型，利用数值仿真手段计算得到流场下游与测量相应的单个或多个能级粒子布居数；

[0028] 步骤三、将上述光谱测量和数值计算两种手段分别得到的能级粒子布居数及其演化特性或规律进行对比融合，分析它们的差异，通过改进数值仿真手段中的高温气体模型使得计算结果与光谱测量结果趋于一致；

[0029] 步骤四、改变高温流场状态，重复步骤一至步骤三过程，但是以改进后的高温气体模型替换图1中的初步高温气体模型。通过大量不同状态下的高温流场实验，采用本发明提供的测量与计算融合方法，使得高温气体热化学模型可正确描述所有或大部分状态高温气体的气体热化学过程，以达到深化高温气体本质认识的目的。

[0030] 所述高温气体粒子能级布居数是指高温气体中原子、分子、离子等粒子在各自不同量子能级上的分布数量或比例。对于原子和单原子离子，其量子能级主要是指电子态能级；对于分子和多原子离子，其量子能级包括电子态能级、振动态能级和转动态能级。

[0031] 粒子能级布居数通过光谱技术方法进行测量，包括各类吸收光谱技术、自发辐射光谱技术、受激辐射光谱技术等。具体来说，所述光谱测量技术为吸收光谱技术、辐射光谱技术、荧光光谱技术、击穿光谱技术等测量信号可与高温气体微观粒子能级布居数相关联的一项光谱技术或多项光谱技术的组合。

[0032] 所述高温气体模型是指能描述高温气体内能弛豫过程和化学反应过程，且是以量子物理为理论基础、可区分粒子能级量子态、可计算粒子能级布居数的数值计算模型。

[0033] 数值仿真手段可进行高温气体量子态分辨计算，包括基于玻尔兹曼分布函数的平衡量子态间接计算和不依赖于玻尔兹曼分布假设的非平衡量子态直接计算。所述数值仿真手段在光谱技术手段测量的粒子能级布居数及其演化规律基础上，通过高温气体模型合理外推，可计算出光谱技术手段无法测量的粒子能级布居数及其演化规律，以揭示更全面的高温气体特性。

[0034] 所述高温流场的产生设备包括电弧加热装置以及电弧风洞、高频感应等离子体加热装置以及高频感应等离子体风洞、燃烧风洞、激波管以及激波风洞、高焓膨胀管风洞等能产生高温气体并让其快速流动的装置设备。

[0035] 综上，本发明公开了一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，其有别于常规以温度作为高温气体状态参数，而采用原子、分子、离子等粒子的能级布居数表征高温气体状态，并将其作为高温气体试验研究手段的测量目标和数值仿真手段的计算目标，从而促进两种手段的有效融合，拓展高超声速高温气体非平衡流动研究方法。与采用温度参数作为高温气体状态表征参数的测量与计算融合方法相比，本发明采用粒子能级布居数表征高温气体状态，不依赖粒子能级服从玻尔兹曼分布函数的平衡假设，比温度状态参数更根本，能实现高温气体状态的量子态分辨，更适用于非平衡高温气体流动研究。

[0036] 实施例：

[0037] 本实施例以高温气体中氧原子(O)的电子基态(3P)和激发态(5S*、5P、3S、3P*)为测量和计算对象，详细说明该发明方法，以令本领域研究人员参照说明书文字能够据以实施。

[0038] 一种基于粒子能级布居数的高温气体测量与计算融合方法，包括以下步骤：

[0039] 步骤一、在某状态高温流场的上游和下游，分别利用激光诱导荧光技术对O原子的电子基态(即3P态)进行测量，通过荧光信号强度得到3P态能级布居数；利用激光吸收光谱技术对O原子电子激发态(5S*和3S)进行测量，通过激光吸收信号强度得到5S*和3S的能级布居数；利用自发辐射光谱技术对O原子电子激发态(5P和3P*)进行测量，通过辐射强度得到5P和3P*的能级布居数。比较上下游O原子基态和各激发态的演化规律，建立O原子从上游至下游的初步复合反应模型，比如高温气体从上游至下游变化过程中，如果基态和激发态的布居数具有相同变化规律，则说明复合反应中基态和激发态的参与程度是一致的，基态和激发态O原子可能具有相同反应通道和相同反应速率参数，否则需要对基态和激发态设置不同的反应通道和反应速率参数。

[0040] 步骤二、基于所测量的上游O原子能级布居数以及上述初步复合反应模型，利用数值仿真手段计算得到流场下游与测量相应的基态和激发态能级粒子布居数；

[0041] 步骤三、将测量和计算的下游O原子基态以及激发态能级布居数进行对比融合，分析它们的差异，改进O原子复合反应模型中的反应速率参数，使得计算结果和测量结果趋于一致；

[0042] 步骤四、多次改变高温流场状态，重复步骤一至步骤三过程，通过修改反应通道和反应速率参数，不断对复合反应模型进行迭代改进，直至O原子复合反应模型可适用于大部分状态高温流场，达到建立准确的高温气体中O原子复合反应模型的目的。

[0043] 以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

[0044] 这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

[0045] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。