In this thesis, detailed numerical investigation on nonequilibrium state of high-enthalpy air plasma flows is carried out by devising an accurate collisional-radiative approach including a line-by-line radiation model. The state-of-the-art electronic transition rates are compiled with comparisons of existing data, and it is coupled with a viscous-shock layer method and a post-shock flow solver to analyze nonequilibrium phenomena in the typical hypersonic Earth reentry conditions. Two-different applications are made, and they are the prediction of stagnation-point heating of Fire II flight experiment and the analysis of nonequilibrium radiation measured in the recent electric-arc shock tube experiments.
In the first case, influence of collisional excitation modeling including electron and heavy-particle
impacts on the stagnation-point radiative heat flux is investigated in detail, and the escape factors of the strongest atomic lines with the non-local absorption effect are proposed to more efficiently consider the non-local nature of the radiative transition. When compared with the experimental data from the Fire II trajectories, it is found that the present collisional-radiative model with the non-local absorption improves the ability to predict non-Boltzmann radiative heating, and it is also found that the conventional two-temperature model can be an appropriate option in prediction of nonequilibrium radiative heat flux to the stagnation-point.
In the second case, the electronic-state-resolved analysis of nonequilibrium air radiation is performed to assess accuracy of the conventional two-temperature model with the quasi-steady state assumption
when the free stream flow is in a highly nonequilibrium condition. In the comparison with the measured
nonequilibrium spectrum, the present electronic master equation coupling method is more accurate than
the conventional two-temperature approach when used to estimate the initial rising rate and peak value
of the diatomic intensity and small amounts of atomic radiation when the diatomic nonequilibrium condition is dominant. Moreover, the spatial distributions of the intensity and electron number density are more accurately predicted by the electronic master equation coupling methods when the flow-fields are dominated by atomic nonequilibrium. From these results, it is found that the conventional two-temperature model should be improved to more accurately predict nonequilibrium radiative transition in high-enthalpy air plasma flows.
Based on the results obtained in the second case, an improvement of thermochemical nonequilibrium model is made by modifying chemical reaction rate coefficients and thermal energy exchange rates, and modeling the rotational nonequilibrium energy transfers. In the rotational nonequilibrium modeling, the state-resolved master equation analysis is carried out, and the rotational-translational energy relaxation time is newly determined. In the wavelength ranges from VUV to IR, the present nonequilibrium model
represents improved accuracy in comparison with the previous thermochemical nonequilibrium parameters, based on the two-temperature description. The improvement is mainly attributed by: 1) Modification of vibrational energy relaxation consists of chemical dissociation and vibrational-translational energy transfer. 2) Modeling of rotational nonequilibrium resolving the overestimation of high-lying rotational states in nonequilibrium region.
본 논문에서는 흡수선 누적법을 포함한 충돌-복사 모델을 제안하고 고엔탈피 공기 플라즈마 유동의 비평형
상태에 대한 수치적 연구가 수행되었다. 문헌조사를 통해 개선된 정확도의 전자상태 천이율이 제안되었으
며, 극초음속 지구 재진입 조건 해석을 위하여 점성-충격층 방법 및 충격파 후방 유동해석자에 연계하였다.
개발된 방법을 이용하여 Fire II 비행체의 정체점 복사 가열량 및 충격파관에서 측정된 복사량에 대한 수치적
예측이 수행되었다.
Fire II 비행체의 정체점 복사 가열량 예측에서는 전자 및 기체 충돌을 포함하는 전자적 들뜸에 대한
모델링이 정체점 복사 가열량 예측에 미치는 영향이 연구되었다. 강한 강도를 갖는 원자 복사 선의 이탈계수
를 비국부적 흡수 효과를 고려하여 계산하고 이를 데이터화 하였다. 비행실험 데이터와 비교함으로써, 현재
개발된 충돌-복사 모델에 대한 정확성을 검증하였으며, 정체점에 도달하는 복사 가열량 예측에 대해서는
기존의 이온도 모델 기반의 열화학적 비평형 모델이 적절한 방법임을 확인하였다.
충격파관에서 측정된 비평형 복사 스펙트럼을 보다 정확하게 예측하기 위하여, 전자적 상태-결합 방법을
제안하고 이를 바탕으로 기존 이온도 모델의 타당성을 검토하였다. 유동 조건이 매우 비평형 상태에 있는
경우, 전자적 상태-결합 방법이 기존 이온도 모델과 비교하여 개선된 정확도를 나타내었으며, 복사 강도의
상승률과 최대 복사량을 보다 정확하게 예측하였다. 이로부터, 고엔탈피 공기 플라즈마 유동에서 나타나는
비평형 복사 천이를 더 정확하게 예측하기 위해서는 기존 이온도 모델에 대한 정확도 개선이 필요한 것을
확인하였다.
이온도 모델의 정확성을 개선시키기 위하여 화학반응률과 열적 에너지 교환률에 대한 수정이 이루어졌
으며, 회전 비평형에 대한 모델링이 새롭게 수행되었다. 회전 비평형 모델링을 위하여, 회전 에너지 모드에
대한 상태-결합 마스터 방정식 해석이 수행되었으며, 회전-병진 에너지 교환에 대한 이완 시간이 제안되었다.
개선된 모델을 이용하여 진공자외선부터 적외선 영역에 이르는 비평형 복사 스펙트럼을 예측하고 기존 이온
도 모델의 결과와 비교하였다. 본 연구에서 제안된 비평형 모델이 기존 이온도 모델보다 더 정확한 결과를
나타내었으며, 이는 다음의 두 가지 요인에 기인한다. 1) 해리 반응률 및 진동-병진 에너지 교환의 이완 시간
수정. 2) 회전 비평형 모델링을 통한, 비평형 구간에서의 고준위 회전 상태의 과대 예측 해소.
