Thermochemical non-equilibrium effects in turbulent hypersonic boundary layers

高超音速 边界层 机械 湍流 湍流动能 马赫数 激发态 热平衡 材料科学 热力学平衡 振动温度 湍流普朗特数 振动能量弛豫 热力学 物理 雷诺数 原子物理学 努塞尔数
作者
Donatella Passiatore,Luca Sciacovelli,Paola Cinnella,Pascazio Giuseppe
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:941 被引量:7
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.283
摘要

A hypersonic, spatially evolving turbulent boundary layer at Mach 12.48 with a cooled wall is analysed by means of direct numerical simulations. At the selected conditions, massive kinetic-to-internal energy conversion triggers thermal and chemical non-equilibrium phenomena. Air is assumed to behave as a five-species reacting mixture, and a two-temperature model is adopted to account for vibrational non-equilibrium. Wall cooling partly counteracts the effects of friction heating, and the temperature rise in the boundary layer excites vibrational energy modes while inducing mild chemical dissociation of oxygen. Vibrational non-equilibrium is mostly driven by molecular nitrogen, characterized by slower relaxation rates than the other molecules in the mixture. The results reveal that thermal non-equilibrium is sustained by turbulent mixing: sweep and ejection events efficiently redistribute the gas, contributing to the generation of a vibrationally under-excited state close to the wall, and an over-excited state in the outer region of the boundary layer. The tight coupling between turbulence and thermal effects is quantified by defining an interaction indicator. A modelling strategy for the vibrational energy turbulent flux is proposed, based on the definition of a vibrational turbulent Prandtl number. The validity of the strong Reynolds analogy under thermal non-equilibrium is also evaluated. Strong compressibility effects promote the translational–vibrational energy exchange, but no preferential correlation was detected between expansions/compressions and vibrational over-/under-excitation, as opposed to what has been observed for unconfined turbulent configurations.
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