化學(xué)非平衡流的數(shù)值模擬需要求解化學(xué)反應(yīng)源項,而詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理中各個基元反應(yīng)的時間尺度相差顯著,因而導(dǎo)致空間離散后形成剛性常微分方程組,其求解計算量巨大。為此,在非結(jié)構(gòu)有限體積法化學(xué)非平衡流解耦算法的基礎(chǔ)上,進一步采用基于MPI的并行計算實現(xiàn)大規(guī)模化學(xué)非平衡流數(shù)值模擬的加速,從而為進一步求解復(fù)雜的工程應(yīng)用建立條件。由于基于解耦算法的求解器中計算量最大的化學(xué)反應(yīng)源項求解是基于各個單元格心變量實現(xiàn),每個時間步求解時不需要進行交互,因此便于實現(xiàn)分區(qū)并行計算。經(jīng)典的激波誘導(dǎo)振蕩燃燒算例的數(shù)值模擬表明,開發(fā)的并行求解器具有較高的計算精度和良好的計算效率,并且由于其較低的內(nèi)存需求,具備進一步開發(fā)圖形處理器（GPU）計算能力的基礎(chǔ)。 

【文章來源】：宇航總體技術(shù). 2020,4(02)

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

計算網(wǎng)格示意圖

圖3給出了激波誘導(dǎo)周期性振蕩燃燒的實驗紋影圖�？梢钥闯�,彈丸前端存在光滑的脫體激波。由于彈丸飛行馬赫數(shù)略低于來流參數(shù)條件下CJ爆速,混合氣體經(jīng)過激波壓縮后增溫增壓,在下游發(fā)生周期性振蕩燃燒,從圖3中看出,燃燒陣面呈現(xiàn)出規(guī)則的波紋狀,在燃燒陣面和激波間存在著未燃混合氣體。采用3.1節(jié)參數(shù)進行數(shù)值模擬,得到了駐點流線上(即對稱邊界)密度隨時間變化曲線,如圖4所示。可以看出,激波和燃燒陣面呈現(xiàn)出顯著的周期性振蕩,來流沿駐點流線通過激波后增溫增壓,化學(xué)反應(yīng)速率增大,在誘導(dǎo)區(qū)內(nèi)經(jīng)過誘導(dǎo)時間后釋放能量,進而發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成燃燒陣面。彈丸前激波到燃燒陣面間的距離即為誘導(dǎo)區(qū)寬度,誘導(dǎo)區(qū)范圍由激波后的誘導(dǎo)時間決定,駐點流線上彈丸頭激波強度接近正激波,誘導(dǎo)時間最短,因此駐點線上誘導(dǎo)區(qū)寬度最小。振蕩燃燒過程中,隨機擾動產(chǎn)生一道壓縮波,由于正激波后為亞聲速區(qū)域,因此該壓縮波向上游傳播至頭激波,增強了激波強度,同時形成向下游傳播的弱反射聲波和一道接觸間斷。隨著激波強度的增強,波后溫度升高,誘導(dǎo)距離縮短,燃燒陣面靠近頭激波,此時化學(xué)反應(yīng)速率增大,能量釋放速率的短暫增大又會產(chǎn)生新的向上游傳播的壓縮波,流場進入新一周期的振蕩燃燒。此外,由于燃燒陣面的位置前移,由頭激波向下游傳播的接觸間斷到達(dá)原始燃燒陣面時,無可燃?xì)怏w支持化學(xué)反應(yīng)放熱,因此形成了向上游傳播的膨脹波,膨脹波到達(dá)激波陣面時與激波相互作用降低了激波強度,減緩了波后放熱速率,誘導(dǎo)區(qū)寬度重新增加,燃燒陣面向下游運動,恢復(fù)至初始位置。綜上所述,振蕩燃燒的根本原因在于壓縮波和膨脹波對激波及燃燒陣面的周期性影響。

采用3.1節(jié)參數(shù)進行數(shù)值模擬,得到了駐點流線上(即對稱邊界)密度隨時間變化曲線,如圖4所示�？梢钥闯�,激波和燃燒陣面呈現(xiàn)出顯著的周期性振蕩,來流沿駐點流線通過激波后增溫增壓,化學(xué)反應(yīng)速率增大,在誘導(dǎo)區(qū)內(nèi)經(jīng)過誘導(dǎo)時間后釋放能量,進而發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成燃燒陣面。彈丸前激波到燃燒陣面間的距離即為誘導(dǎo)區(qū)寬度,誘導(dǎo)區(qū)范圍由激波后的誘導(dǎo)時間決定,駐點流線上彈丸頭激波強度接近正激波,誘導(dǎo)時間最短,因此駐點線上誘導(dǎo)區(qū)寬度最小。振蕩燃燒過程中,隨機擾動產(chǎn)生一道壓縮波,由于正激波后為亞聲速區(qū)域,因此該壓縮波向上游傳播至頭激波,增強了激波強度,同時形成向下游傳播的弱反射聲波和一道接觸間斷。隨著激波強度的增強,波后溫度升高,誘導(dǎo)距離縮短,燃燒陣面靠近頭激波,此時化學(xué)反應(yīng)速率增大,能量釋放速率的短暫增大又會產(chǎn)生新的向上游傳播的壓縮波,流場進入新一周期的振蕩燃燒。此外,由于燃燒陣面的位置前移,由頭激波向下游傳播的接觸間斷到達(dá)原始燃燒陣面時,無可燃?xì)怏w支持化學(xué)反應(yīng)放熱,因此形成了向上游傳播的膨脹波,膨脹波到達(dá)激波陣面時與激波相互作用降低了激波強度,減緩了波后放熱速率,誘導(dǎo)區(qū)寬度重新增加,燃燒陣面向下游運動,恢復(fù)至初始位置。綜上所述,振蕩燃燒的根本原因在于壓縮波和膨脹波對激波及燃燒陣面的周期性影響。圖5顯示了流場及H2O2組分的密度分布�？梢钥闯�,燃燒陣面存在于激波下游,并未與激波耦合,因此無法形成穩(wěn)定爆轟結(jié)構(gòu)。在化學(xué)反應(yīng)過程中,燃燒陣面不再保持光滑,呈現(xiàn)周期性振蕩。圖6記錄了駐點處壓力隨時間變化曲線,提取30μs～45μs時間段內(nèi)數(shù)據(jù)進行傅里葉變換,得到了周期性振蕩頻率為417kHz,與實驗數(shù)據(jù)[10]425kHz和文獻計算結(jié)果[12]431kHz符合較好,證明在并行計算條件下求解器具有良好的計算精度。


本文編號：3073733