高超声速膨胀流场中氮分子辐射特性研究

　　近日，中国科学院力学研究所的研究团队在《Physics of Fluids》期刊上发表了一项重要研究成果，题为“Nitrogen molecular radiation in hypersonic expanding flow”。该研究通过实验和数值模拟相结合的方法，深入研究了高超声速膨胀流场中氮分子的辐射特性，为理解此类流动中的辐射现象提供了新的见解。

　　1、研究背景

　　高超声速飞行器在重返地球大气层时，由于气动加热和气体压缩，会产生强烈的辐射现象，这对飞行器的热防护系统提出了巨大挑战。近年来，尽管在高超声速流动中的辐射现象研究方面取得了显著进展，但关于飞行器周围气体膨胀区域的辐射特性研究仍然相对较少。膨胀区域的复杂性在于，快速膨胀可能导致化学冻结，使得化学和热平衡无法达到，从而增加了辐射通量预测的不确定性。因此，深入研究高超声速膨胀流场中的辐射特性对于设计可靠的热防护系统至关重要。

　　2、实验方法与装置

　　研究团队利用JF-14激波风洞(在激波管模式下运行)开展了实验研究，成功生成了速度为3.25 km/s的激波，用于模拟高超声速流动。实验装置及测量仪器如图1所示。实验中使用了半径为25 mm的钝头模型，以产生稳定的膨胀流场。通过高速相机和光谱仪(MS3504, SOL instruments; TRC411, 中智科仪)，研究团队对模型肩部的辐射特性进行了时空分辨测量。实验中，氮气作为实验气体，测试段压力为200 Pa，激波速度达到3.25 km/s。为了确保高质量的光谱数据，实验中采用了20微秒的曝光时间，并通过校准装置对光谱仪进行了绝对光谱辐射度校准。

　　图1 实验装置及测量仪器示意图

　　3、实验结果

　　流动特性：数值模拟实验结果如图2所示，高超声速流动在模型头部经历了强烈的压缩加热，温度达到约6500 K。随着高温气体绕过模型肩部膨胀，平动-转动温度(Ttr)迅速降低，而振动-电子温度(Tve)相对冻结，表明流动处于热非平衡状态。在光谱测量区域内，温度范围约为4000–6000 K。

　　图2 计算流场的二维温度分布：(a)平动-转动温度和(b)振动-电子温度

　　光谱辐射特性：实验中测量了500–750nm波长范围内的光谱辐射(图3)，发现氮分子的第一正带系N₂(1+)是该波段内的主要辐射源。实验与数值模拟的光谱轮廓吻合良好(图4)，但模拟的辐射强度比实验值高出3–4倍，这可能是由于模型中对激发态密度的高估所致。此外，在靠近壁面的区域检测到一条约520 nm的原子谱线，这可能是由于预解离机制被低估所导致的。

　　图3 膨胀区沿垂直线的实验光谱分布

　　图4 1-4区实验光谱与数值模拟光谱的比较

　　数值模拟与实验对比：研究团队通过自主开发的ARTIST代码和SPARK3.0线对线代码进行了流动和辐射特性的数值模拟。模拟结果显示，尽管光谱轮廓与实验数据一致，但在某些波段(如515–525nm)的辐射强度被显著低估，这表明当前模型可能未能准确描述氮分子的振动能级分布和预解离过程。

　　4、总结

　　本研究通过实验和数值模拟相结合的方法，深入探讨了高超声速膨胀流场中氮分子的辐射特性，填补了该领域的实验数据空白。研究结果表明，当前的两温度模型在描述氮分子辐射特性时仍存在局限性，特别是在处理氮分子的重组和预解离机制方面。这些发现为改进高超声速流动中的辐射预测模型提供了重要依据，并为未来研究更复杂的气体混合物(如空气)和更强的热化学非平衡条件奠定了基础。

　　DOI：10.1063/5.0251388

　　5、解决方案