本文關(guān)鍵詞：一種向低速域擴(kuò)展的化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)數(shù)值模擬研究

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【摘要】：超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)充滿著激波、旋渦、點(diǎn)火與燃燒以及激波／邊界層相互作用和分離流動(dòng)等復(fù)雜現(xiàn)象,燃燒室內(nèi)既有核心區(qū)域的超音速流動(dòng),又有邊界層或凹腔區(qū)域的亞音速(低速)流動(dòng)。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室不僅幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,帶有旋流和回流等復(fù)雜物理化學(xué)現(xiàn)象,而且內(nèi)流道兼含可壓縮和不可壓縮流的雙重特征。數(shù)值方法為揭示發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場的詳細(xì)特征而發(fā)揮了越來越重要的作用,尤其在研制初始階段,能為澄清新機(jī)理和發(fā)動(dòng)機(jī)選型提供有效依據(jù)。本文圍繞超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場進(jìn)行了研究。基于傳統(tǒng)三維多組分Navier-Stokes方程,采用預(yù)處理方法,針對(duì)氣態(tài)燃料燃燒流場,利用高階AUSM+-up格式、LU-SGS隱式時(shí)間推進(jìn)方法、有限體積法及有限速率化學(xué)反應(yīng)模型等發(fā)展了一套從低速流動(dòng)到超音速流動(dòng)的統(tǒng)一求解方法和高效、高精度大規(guī)模并行計(jì)算CFD軟件平臺(tái)。在神威機(jī)群上對(duì)有無預(yù)處理程序進(jìn)行了多方面的算例驗(yàn)證后,對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部流場開展了較為細(xì)致的數(shù)值研究,并將數(shù)值模擬結(jié)果與有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比和分析,為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的機(jī)理研究和型號(hào)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文主要工作總結(jié)如下：發(fā)展了一套能夠求解從低速到超音速化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)的大規(guī)模并行程序。通過在三維多組分控制方程偽時(shí)間項(xiàng)施加自行推導(dǎo)的基于壓力、速度及溫度為原始變量的預(yù)處理矩陣,基于有限體積法,空間無粘通量采用AUSM+-up分裂格式,時(shí)間推進(jìn)采用LU-SGS隱式時(shí)間推進(jìn)方法,化學(xué)反應(yīng)燃燒模型采用有限化學(xué)速率進(jìn)行求解。算例驗(yàn)證結(jié)果表明本文發(fā)展的高精度并行程序能夠有效地求解全速域化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)問題,使得原有計(jì)算能力拓展到能覆蓋低速的能力。對(duì)矩形截面直連式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型在不同當(dāng)量比、不同注油分布條件下的燃燒流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了燃燒室流場的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,當(dāng)量比不同會(huì)顯著地改變?nèi)紵狞c(diǎn)火機(jī)制、反應(yīng)區(qū)域,最終影響燃燒性能。針對(duì)本文構(gòu)型發(fā)現(xiàn)壁面橫向噴油火焰穩(wěn)定模式主要有射流回流區(qū)穩(wěn)焰模式、凹槽回流區(qū)穩(wěn)焰模式及射流回流區(qū)和凹槽回流區(qū)共同穩(wěn)焰模式；對(duì)平板隔板超音速混合層燃燒特性進(jìn)行了考察分析,發(fā)現(xiàn)超音速混合燃燒流場存在強(qiáng)烈的非定常性,流場中波系結(jié)構(gòu)等呈現(xiàn)振蕩特性,振蕩主要發(fā)生在流場的中上層。劇烈的燃燒導(dǎo)致反壓對(duì)下層空氣入口壓力產(chǎn)生擾動(dòng)。對(duì)單頭部航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了詳細(xì)的流場結(jié)構(gòu),并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,顯示本文發(fā)展的計(jì)算程序能充分利用傳統(tǒng)求解可壓縮流的理論來求解低速流動(dòng)。數(shù)值模擬結(jié)果可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的優(yōu)化設(shè)計(jì)和理論研究提供有力的支撐依據(jù),可以為分析燃燒室的燃燒性能提供詳實(shí)的信息。本文的研究表明,發(fā)展的大規(guī)模并行計(jì)算程序能夠很好地用來模擬超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒流場,可以給出模型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流場的詳細(xì)特征和相關(guān)的性能分析,并具有較高的計(jì)算效率和精度。
【關(guān)鍵詞】：全速域流動(dòng) 預(yù)處理方法 化學(xué)反應(yīng)流動(dòng) 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī) 航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V235.211
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 研究背景和研究意義11
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展11-25
• 1.2.1 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬研究11-15
• 1.2.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬研究15-17
• 1.2.3 全速域流場數(shù)值模擬研究17-25
• 1.3 本文工作25-27
• 第2章 控制方程和數(shù)值方法27-67
• 2.1 引言27
• 2.2 控制方程27-40
• 2.2.1 多組分流動(dòng)控制方程27-28
• 2.2.2 有量綱形式的流動(dòng)控制方程28-30
• 2.2.3 無量綱形式的流動(dòng)控制方程30
• 2.2.4 控制方程的坐標(biāo)變換30-31
• 2.2.5 湍流模型31-34
• 2.2.6 多組分氣體輸運(yùn)系數(shù)34-36
• 2.2.7 化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)36-39
• 2.2.8 熱力學(xué)模型39-40
• 2.3 數(shù)值方法40-53
• 2.3.1 有限體積法40-42
• 2.3.2 控制方程的離散42-44
• 2.3.3 無粘對(duì)流項(xiàng)的離散44-47
• 2.3.4 定常LU-SGS隱式方法47-52
• 2.3.5 非定常雙時(shí)間步LU-SGS方法52-53
• 2.4 預(yù)處理技術(shù)53-64
• 2.4.1 完全氣體的預(yù)處理方法54-56
• 2.4.2 多組份的預(yù)處理方法56-61
• 2.4.3 參考速度的定義61-63
• 2.4.4 預(yù)處理無粘通量雅克比矩陣的特征值63-64
• 2.5 邊界條件64-65
• 2.5.1 入口及出口邊界條件64
• 2.5.2 壁面邊界條件64-65
• 2.5.3 對(duì)稱邊界條件65
• 2.6 本章小結(jié)65-67
• 第3章 數(shù)值方法和程序的算例驗(yàn)證及分析67-83
• 3.1 引言67
• 3.2 無化學(xué)反應(yīng)算例驗(yàn)證及分析67-72
• 3.3 有化學(xué)反應(yīng)算例驗(yàn)證及分析72-81
• 3.4 本章小結(jié)81-83
• 第4章 超音速燃燒流場數(shù)值模擬83-109
• 4.1 引言83
• 4.2 當(dāng)量比對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響83-89
• 4.3 注油分布對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響89-93
• 4.4 凹槽對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)火焰穩(wěn)定過程的影響93-103
• 4.5 平板隔板超音速混合層燃燒特性研究103-107
• 4.6 本章小結(jié)107-109
• 第5章 單頭部航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室數(shù)值模擬109-123
• 5.1 引言109
• 5.2 計(jì)算工況109-110
• 5.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析110-122
• 5.4 本章小結(jié)122-123
• 第6章 結(jié)論與展望123-125
• 6.1 結(jié)論123
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)123-124
• 6.3 展望124-125
• 參考文獻(xiàn)125-137
• 致謝137-139
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果139

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