火星气体有限速率化学反应模型构建方法及模型数据系统与流程

本发明涉及空气动力学领域，更为具体的，涉及一种火星气体有限速率化学反应模型构建方法及模型数据系统。

背景技术：

1、有限速率化学反应模型对真实气体流动中组分的构成分布具有直接影响，是高超热化学非平衡流动精确模拟及其气动热特性精准预示最为重要的计算模型。各类有限速率化学反应模型在反应式构成方面差异不大，但在反应式的速率系数计算方面差异显著，这也是各类化学反应模型计算差异的主要来源。目前，化学反应速率系数的表达形式和计算方式主要有两类，其一，正、逆向反应速率系数均采用arrhenius经验拟合式表示和计算，其二，正向反应速率系数采用arrhenius经验拟合式表示和计算，但逆向反应速率系数由正向反应速率系数和平衡常数比值计算决定。

2、平衡常数的数学表达方式多种多样，很不利于有限速率化学反应模型的集成和拓展，例如当增加一类基于平衡常数的新化学模型时，可能需要重新编写输入/输出模块代码，甚至需要更改求解器的化学生成源项等计算模块，所以这类反应速率的表示方法对高超cfd软件现有的计算框架适应性和兼容性较差，功能集成实现较复杂。相反，在第一类描述方法中，正、逆向反应速率系数均采用arrhenius经验拟合式表示和计算具有偏导数计算简单，方便编程实现，以及读取接口设计统一，便于化学模型拓展集成等优势。基于该方法构建的化学反应模型计算和存储效率高，对于任意的有限速率化学反应模型，各反应式仅需存储和读取6个固定参数值即可完整的表达其有限速率计算条件。因此，多数高超cfd软件均采用这类方法设计和构建统一的有限速率化学模型输入/输出接口。

3、在原始的mitcheltree火星大气化学反应模型中，一部分反应式的逆向反应速率系数采用了arrhenius形式计算，而另一部分则采用了平衡常数计算，其有限速率计算式在表现形式上的混乱给化学模型的使用集成带来诸多困难和不便，因此有必要构建一种有限速率计算式规范统一且简单易用的改进模型。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种火星气体有限速率化学反应模型构建方法及其模型数据系统，解决了原始mitcheltree化学反应模型有限速率计算形式混乱、使用不便和集成困难的技术问题，进而建立了一种改进的火星大气mitcheltree化学反应模型，新模型具有计算存储效率高、接口设计统一和简单易用等优势。

2、本发明的目的是通过以下方案实现的：

3、一种火星气体有限速率化学反应模型构建方法，包括以下步骤：

4、s1：基于原始mitcheltree模型构建数据集，采用arrhenius拟合式规范有限速率计算式；

5、s2：构建规范后的有限速率计算式的逆向反应速率的采样数据集；

6、s3：基于构建数据集，重构逆向反应速率arrhenius拟合式系数；

7、s4：利用重构后的系数重建火星大气mitcheltree化学反应模型得到火星大气mitcheltree改进模型；

8、s5：将化学模型重建后的arrhenius拟合式系数加入化学模型数据库并进行i/o接口拓展；

9、s6：基于步骤s5，开展基于火星大气mitcheltree改进模型的热化学非平衡流动模拟及其流场获取。

10、进一步地，在步骤s1中，所述基于原始mitcheltree模型构建数据集，采用arrhenius拟合式规范有限速率计算式，包括子步骤：基于原始mitcheltree模型，提取所有化学反应式构建新的反应式数据集，其中每一个化学反应式的正、逆向反应速率系数均采用arrhenius拟合式描述，形成格式规范统一的有限速率表达形式。

11、进一步地，在步骤s2中，所述构建规范后的有限速率计算式的逆向反应速率的采样数据集，包括子步骤：基于原始mitcheltree模型，提取逆向反应速率系数采用平衡常数计算的反应式，依据温度间隔步数分别计算其对应的正向反应速率以及平衡常数，再由正向反应速率与平衡常数的比值获得逆向反应速率，进而建立逆向反应速率的采样数据集。

12、进一步地，在步骤s3中，所述基于构建数据集，重构逆向反应速率arrhenius拟合式系数，包括子步骤：基于步骤s2的采样数据集，针对指定化学反应式分别采用指数函数型、幂函数型及混合型三种拟合曲线类型，依据最小二乘法插值得到每种拟合式的插值系数，同时以均方差最小原则确定最优拟合曲线，以最优拟合曲线确定逆向反应速率的arrhenius拟合式系数。

13、进一步地，在步骤s4中，所述利用重构后的系数重建火星大气mitcheltree化学反应模型，包括子步骤：针对逆向反应速率采用平衡常数计算的所有化学反应式，采用步骤s3获得的arrhenius拟合式系数，重建获得改进的火星大气mitcheltree化学反应模型。

14、进一步地，在步骤s5中，所述将化学模型重建后的arrhenius拟合式系数加入化学模型数据库并进行i/o接口拓展，包括子步骤：依据规范统一的化学模型i/o接口模块，将火星大气mitcheltree改进模型所有反应式的化学计量系数以及正、逆向反应速率的arrhenius拟合式系数按照阵列形式加入化学模型数据库，同时增加相应的i/o函数接口供高超cfd求解器使用。

15、进一步地，在步骤s6中，所述开展基于火星大气mitcheltree改进模型的热化学非平衡流动模拟其流场获取，包括子步骤：在高超cfd求解器中，基于改进的火星大气mitcheltree化学反应模型计算化学反应生成源项，应用在数值迭代过程中更新与流场组分浓度相关的参数，直至满足流场收敛条件时，获得最终所需的热化学非平衡稳态流动参数分布。

16、进一步地，在所述重建获得改进的火星大气mitcheltree化学反应模型中，化学反应式r1~r14的逆向反应速率arrhenius拟合式系数分别为：

17、

18、式中， r1~ r14表示反应式，对应地， ab、 nb、 eb分别为arrhenius拟合式的3个系数；在 r1~ r10中，系数 ab的单位是，系数 nb无单位，系数 eb的单位为开尔文k；对于 r11~ r14，系数 ab的单位是，系数 nb无单位，系数 eb的单位为开尔文k。

19、一种火星气体有限速率化学反应模型构建模型数据系统，包括计算机程序，利用计算机程序在处理器中运行实现如上任一项所述的火星气体有限速率化学反应模型构建方法。

20、本发明的有益效果包括：

21、本发明所改进的火星大气mitcheltree化学模型针对有限速率计算采用规范统一的表达形式，解决了原始模型有限速率计算形式混乱的问题，对多数高超cfd软件计算框架的兼容性和适应性友好，易于被广泛集成使用。

22、本发明所改进的火星大气mitcheltree化学模型针对正、逆向反应速率均采用arrhenius拟合式描述，继承了arrhenius拟合式在数值应用中的优势，被高超cfd软件采纳使用时编程实现简单，接口拓展容易，集成效率较高。

23、本发明所提出的逆向反应速率重构方法对改造其他采用平衡常数计算的化学反应模型均适用。

24、本发明实施例构思中，基于指数函数型、幂函数型及指数/幂函数的混合型等3种拟合曲线类型，采用最小二乘法插值，并选取均方差最小者为最优拟合曲线，用于重构逆向反应速率的arrhenius拟合式系数，进而重建有限速率化学反应模型以满足高超cfd软件高效集成使用的需要。

25、基于本发明方法构建的改进火星气体mitcheltree化学反应模型，具备有限速率计算式规范统一、简单易用以及对多数高超cfd软件兼容性和适应性友好等优势，在火星大气热化学非平衡流动模拟中可以实现对原始模型的完全替代，计算精度能够满足工程型号模拟应用的需求。