相對于量熱完全氣體流動控制方程組的求解過程,超聲速化學非平衡流動屬于典型的時空多尺度物理問題,其控制方程組存在嚴重的剛性,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算方法:隱式方法的時間步長可以不受穩(wěn)定性的限制,但是其缺點是計算量較大,在每一個時間步內的迭代都需要對矩陣進行求逆計算。解耦方法將多物理問題分解為若干個子問題,計算過程中避免了矩陣求逆所帶來的巨大計算量,其缺點體現(xiàn)在不同方法的數(shù)值不穩(wěn)定性會對計算結果產生影響。改進解耦方法中引入等效能量和等效比熱比,對能量方程進行改造后將控制方程組分解成流動和化學反應相互獨立的兩部分,每一部分可以采取各自的成熟方法對其進行計算。本文在改進解耦方法的基礎上,繼續(xù)對超聲速流動中混合氣體的燃燒現(xiàn)象進行數(shù)值模擬,以提高計算效率為目的開展相關理論研究。針對化學反應常微分方程組進行線性化改造,使其滿足精細積分方法的求解形式。采用精細積分方法對多個數(shù)值算例進行模擬,與其他兩種傳統(tǒng)計算方法的模擬結果進行對比,體現(xiàn)精細積分方法求解化學反應常微分方程組的優(yōu)良特性。流動部分控制方程組描述的是多組元混合氣體的凍結流動,根據(jù)流動現(xiàn)象的本質,提出了流動算子優(yōu)化方法:在更新求解變量的過程中,采用記錄進出相鄰單元邊界的對流通量和擴散通量對組元密度進行時間更新,方程求解數(shù)目的減少可以提高流動算子的計算效率。針對經(jīng)典的彈道靶實驗進行數(shù)值模擬,通過模擬結果的對比,體現(xiàn)流動算子優(yōu)化方法對計算效率的影響�；瘜W反應的發(fā)生需要滿足一定的條件,在未發(fā)生化學反應或反應達到平衡的空間區(qū)域內組元質量生成率接近為零,結合反應動力學理論提出了反應算子空間自適應方法:對全場計算單元進行判斷,滿足準則條件的單元進行化學反應的迭代求解,最終實現(xiàn)化學反應自適應開啟/關閉的功能。采用該方法對多個超聲速流動中混合氣體的燃燒問題進行數(shù)值模擬,通過數(shù)據(jù)結果的對比表明反應算子空間自適應方法對計算效率的影響。結合流動算子優(yōu)化方法和反應算子空間自適應方法對三維問題進行綜合測試,針對存在側向噴流干擾的超聲速流動問題,考慮化學非平衡流模擬方法的計算結果更為接近于實驗數(shù)據(jù);將側噴發(fā)動機作為提供氣動力的輔助裝置,驗證了兩級入軌飛行器分離方案設計,同時表明本文所提出的方法能夠應用于實際工程問題的數(shù)值模擬。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O643.21
【部分圖文】：

成、運營成本、可靠性和操作效率等方面均面臨嚴峻的挑戰(zhàn)Ｗ�？v觀目前世界上所有使逡逑用中的運載系統(tǒng)，除了美國的航天飛機能夠部分重復使用外，其余的運載系統(tǒng)（運載逡逑火箭）都是一次性運載器（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載火箭。ＥＬＶ的缺點主要體現(xiàn)在發(fā)射準備周期長、逡逑安全性低、發(fā)射費用過高等，顯然無法滿足新時期對航天運載器快速、可靠、廉價地進逡逑入空間的總要求。相關研究表明，目前航天運載器的發(fā)射成本大約為每千克有效載荷１逡逑萬至２萬美元，盡管個別私營企業(yè)如美國的ＳｐａｃｅＸ公司發(fā)射的獵鷹９號可以顯著降逡逑低發(fā)射費用，但是對于航天運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較高Ｗ１。在運載火箭制造和發(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)濟性、能夠快速進入空逡逑間、可靠性局的可重復使用運載器（Ｒｅｕｓａｂｌｅ邋Ｌａｕｎｃｈ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，邋ＲＬＶ）［６１，如圖１．１（ｂ）所逡逑示，ＲＬＶ能夠重復使用，可以將運載器部件的成本分攤到每次發(fā)射上，通過運載器的逡逑多次重復使用來降低以往高額的發(fā)射費用Ｗ。逡逑ＲＬＶ的設計和制造涉及諸多領域的先進技術和方法

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【參考文獻】

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本文編號：2821807