發(fā)布時(shí)間：2020-09-18 15:03

　　 相對(duì)于量熱完全氣體流動(dòng)控制方程組的求解過程,超聲速化學(xué)非平衡流動(dòng)屬于典型的時(shí)空多尺度物理問題,其控制方程組存在嚴(yán)重的剛性,給數(shù)值求解帶來了很大困難。隱式方法和解耦方法是兩種常用的求解剛性問題的計(jì)算方法:隱式方法的時(shí)間步長可以不受穩(wěn)定性的限制,但是其缺點(diǎn)是計(jì)算量較大,在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)的迭代都需要對(duì)矩陣進(jìn)行求逆計(jì)算。解耦方法將多物理問題分解為若干個(gè)子問題,計(jì)算過程中避免了矩陣求逆所帶來的巨大計(jì)算量,其缺點(diǎn)體現(xiàn)在不同方法的數(shù)值不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。改進(jìn)解耦方法中引入等效能量和等效比熱比,對(duì)能量方程進(jìn)行改造后將控制方程組分解成流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)相互獨(dú)立的兩部分,每一部分可以采取各自的成熟方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。本文在改進(jìn)解耦方法的基礎(chǔ)上,繼續(xù)對(duì)超聲速流動(dòng)中混合氣體的燃燒現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬,以提高計(jì)算效率為目的開展相關(guān)理論研究。針對(duì)化學(xué)反應(yīng)常微分方程組進(jìn)行線性化改造,使其滿足精細(xì)積分方法的求解形式。采用精細(xì)積分方法對(duì)多個(gè)數(shù)值算例進(jìn)行模擬,與其他兩種傳統(tǒng)計(jì)算方法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,體現(xiàn)精細(xì)積分方法求解化學(xué)反應(yīng)常微分方程組的優(yōu)良特性。流動(dòng)部分控制方程組描述的是多組元混合氣體的凍結(jié)流動(dòng),根據(jù)流動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì),提出了流動(dòng)算子優(yōu)化方法:在更新求解變量的過程中,采用記錄進(jìn)出相鄰單元邊界的對(duì)流通量和擴(kuò)散通量對(duì)組元密度進(jìn)行時(shí)間更新,方程求解數(shù)目的減少可以提高流動(dòng)算子的計(jì)算效率。針對(duì)經(jīng)典的彈道靶實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過模擬結(jié)果的對(duì)比,體現(xiàn)流動(dòng)算子優(yōu)化方法對(duì)計(jì)算效率的影響�；瘜W(xué)反應(yīng)的發(fā)生需要滿足一定的條件,在未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或反應(yīng)達(dá)到平衡的空間區(qū)域內(nèi)組元質(zhì)量生成率接近為零,結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論提出了反應(yīng)算子空間自適應(yīng)方法:對(duì)全場計(jì)算單元進(jìn)行判斷,滿足準(zhǔn)則條件的單元進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的迭代求解,最終實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)自適應(yīng)開啟/關(guān)閉的功能。采用該方法對(duì)多個(gè)超聲速流動(dòng)中混合氣體的燃燒問題進(jìn)行數(shù)值模擬,通過數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比表明反應(yīng)算子空間自適應(yīng)方法對(duì)計(jì)算效率的影響。結(jié)合流動(dòng)算子優(yōu)化方法和反應(yīng)算子空間自適應(yīng)方法對(duì)三維問題進(jìn)行綜合測(cè)試,針對(duì)存在側(cè)向噴流干擾的超聲速流動(dòng)問題,考慮化學(xué)非平衡流模擬方法的計(jì)算結(jié)果更為接近于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);將側(cè)噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為提供氣動(dòng)力的輔助裝置,驗(yàn)證了兩級(jí)入軌飛行器分離方案設(shè)計(jì),同時(shí)表明本文所提出的方法能夠應(yīng)用于實(shí)際工程問題的數(shù)值模擬。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.21
【部分圖文】：

成、運(yùn)營成本、可靠性和操作效率等方面均面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)Ｗ。縱觀目前世界上所有使逡逑用中的運(yùn)載系統(tǒng)，除了美國的航天飛機(jī)能夠部分重復(fù)使用外，其余的運(yùn)載系統(tǒng)（運(yùn)載逡逑火箭）都是一次性運(yùn)載器（Ｅｘｐｅｎｄａｂｌｅ邋Ｌａｕｎｃｈ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，邋ＥＬＶ）［２ｊ，如圖１．１（ａ）所不，即逡逑每發(fā)射一次就要徹底地消耗掉一枚運(yùn)載火箭。ＥＬＶ的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在發(fā)射準(zhǔn)備周期長、逡逑安全性低、發(fā)射費(fèi)用過高等，顯然無法滿足新時(shí)期對(duì)航天運(yùn)載器快速、可靠、廉價(jià)地進(jìn)逡逑入空間的總要求。相關(guān)研究表明，目前航天運(yùn)載器的發(fā)射成本大約為每千克有效載荷１逡逑萬至２萬美元，盡管個(gè)別私營企業(yè)如美國的ＳｐａｃｅＸ公司發(fā)射的獵鷹９號(hào)可以顯著降逡逑低發(fā)射費(fèi)用，但是對(duì)于航天運(yùn)載器這種消耗性巨大的系統(tǒng)來說，發(fā)射成本的下限仍然逡逑相對(duì)較高Ｗ１。在運(yùn)載火箭制造和發(fā)射成本居高不下的今天，如何降低發(fā)射成本已成為逡逑各航天大國研究的新方向Ｗ。世界各國都在積極發(fā)展具備優(yōu)良經(jīng)濟(jì)性、能夠快速進(jìn)入空逡逑間、可靠性局的可重復(fù)使用運(yùn)載器（Ｒｅｕｓａｂｌｅ邋Ｌａｕｎｃｈ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，邋ＲＬＶ）［６１，如圖１．１（ｂ）所逡逑示，ＲＬＶ能夠重復(fù)使用，可以將運(yùn)載器部件的成本分?jǐn)偟矫看伟l(fā)射上，通過運(yùn)載器的逡逑多次重復(fù)使用來降低以往高額的發(fā)射費(fèi)用Ｗ。逡逑ＲＬＶ的設(shè)計(jì)和制造涉及諸多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和方法

圖３．１溫度隨時(shí)間變化曲線（Ｈ２／０２反應(yīng)機(jī)理）逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｔｈｅ邋ｃｈａｎｇｉｎｇ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｉｍｅ邋（Ｈ２／Ｏ２邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）逡逑

邐０．０００２逡逑Ｔｉｍｅ／ｓ逡逑圖３．１溫度隨時(shí)間變化曲線（Ｈ２／０２反應(yīng)機(jī)理）逡逑Ｆｉｇ．邋３．１邋Ｔｈｅ邋ｃｈａｎｇｉｎｇ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｉｍｅ邋（Ｈ２／Ｏ２邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）逡逑３０００邋－逡逑４—＜—４￣＾—４－Ａ—４￣４—４—４－逡逑－邐？？逡逑■邐？？逡逑＿邐■？逡逑Ｖ．邐２５００邐－逡逑￡逡逑１逡逑ｉ－邐－邐１逡逑＾邐２０００邐－邐ｊ逡逑ｆ邋邐精細(xì)和分方法逡逑＞邐常d撤種榻譚椒ㄥ義希у危煎文鈠i態(tài)ｉｔ此方法逡逑１５００－邋￣＾邋｜邐丨邐｜邐｜邐，逡逑０邐０．００１邐０．００２邐０．００３邐０．００４邐０．００５逡逑Ｔｉｍｅ／ｓ逡逑圖３．２溫度隨時(shí)間變化曲線（ＣＨ４反應(yīng)機(jī)理）逡逑Ｆｉｇ．邋３．２邋Ｔｈｅ邋ｃｈａｎｇｉｎｇ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｉｍｅ（ＣＨ４邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）逡逑—４

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2821807