复杂化学反应流并行数值模拟

论文摘要

高精度、高效率、稳定的数值模拟一直是复杂化学反应流研究的重要内容之一。本文对复杂化学反应流并行数值模拟技术展开研究,主要有对非结构动网格上多组分含有限速率化学反应N-S方程的数值离散技术、基于弹簧方法和局部网格重构法相结合的非结构动网格技术和PC集群系统中的并行计算技术,主要内容如下:1)以非结构网格上有限体积思想为基础,采用高精度计算格式来分辨激波、接触面等强间断,基元反应模型来模拟化学反应非平衡过程,而组分扩散以及能量的传递同样采用有限体积的方法计算,使计算结果更加接近于真实流场。对带有攻角高速飞行锥形弹丸诱导的三维斜爆轰波流场进行了数值模拟,获得了与实验照片相吻合的结果。2)采用弹簧方法和局部网格重构法相结合的动网格技术实现了快速、优质地模拟化学非平衡流场中边界的大位移运动,为了克服网格变形或重构引起的质量不守恒,采用积分重映求取新网格上流场状态参数。对高速运动弹丸贯穿整个计算域的膛口高度欠膨胀燃气射流进行了数值模拟,描述了初始流场、火药燃气流场、弹丸和射流、射流与冲击波之间的相互作用以及膛口焰的形成及发展等,验证了该算法可以快速、优质地模拟非定常流场中边界的大位移运动。3)高精度计算格式、化学反应源项的刚性和大位移的运动边界处理都给计算和存储带来了沉重的负担,单机资源不足和计算时间长的问题凸现,利用PC机和局域网资源建立分布存储式并行计算系统,并基于非结构动网格和分区算法开发了复杂化学反应流场数值模拟的并行计算程序,对高速飞行实验弹丸诱导的斜爆轰波流场和含有大位移动边界的膛口燃气射流场进行了并行模拟,有效地缩短了计算时间,扩展了计算规模,为复杂化学反应流数值模拟研究提供了新的手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 化学反应流数值模拟
• 1.1.2 非结构动网格技术的研究进展
• 1.1.3 含动边界的数值模拟
• 1.1.4 并行计算
• 1.2 主要工作
• 2 三维化学非平衡流数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 数值计算模型
• 2.2.1 多组分化学反应流控制方程
• 2.2.2 多组分系统的基本关系式
• 2.2.3 多组分系统热力学关系式
• 2.2.4 多组分系统输运特性
• 2.2.5 基元反应模型
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 空间导数的离散
• 2.3.2 时间导数的离散
• 2.3.3 时间分裂法
• 2.3.4 TVD格式
• 2.3.5 温度的迭代计算
• 2.3.6 扩散项的计算
• 2.3.6.1 梯度计算
• 2.3.6.2 限制约束条件
• 2.4 边界条件
• 2.5 小结
• 3 含动边界的化学非平衡流数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 非结构动网格技术
• 3.2.1 弹簧方法
• 3.2.2 网格局部重构
• 3.2.2.1 阵面推进法
• 3.2.2.2 网格变形边界
• 3.2.2.3 网格优化
• 3.2.2.4 守恒重映
• 3.3 数据结构
• 3.4 数值求解
• 3.4.1 ALE形式控制方程
• 3.4.2 空间导数的离散
• 3.4.3 HLLC格式
• 3.4.4 动边界条件
• 3.5 小结
• 4 复杂化学反应流并行计算方法
• 4.1 引言
• 4.2 并行平台
• 4.3 流场数值模拟的并行模型
• 4.4 不含动边界的流场分区
• 4.5 含动边界的流场分区
• 4.6 并行程序概要
• 4.7 小结
• 5 爆轰波流场数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 爆轰波流场并行计算效率
• 5.3 带有攻角飞行弹丸诱导的三维爆轰波数值模拟
• 5.4 小结
• 6 膛口流场数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 膛口流场概述
• 6.2.1 火药气体流场
• 6.2.2 膛口焰
• 6.3 化学反应模型
• 6.4 初始流场对膛口流场影响的数值模拟
• 6.4.1 建立模型
• 6.4.2 运动过程中弹丸的处理
• 6.4.3 计算结果
• 6.4.3.1 无初始流场的膛口流场计算
• 6.4.3.2 含初始流场的膛口流场计算
• 6.4.3.3 计算结果比较
• 6.5 膛口二次燃烧数值模拟
• 6.5.1 可燃成分浓度对二次燃烧影响的数值模拟
• 6.5.1.1 建立模型
• 6.5.1.2 实验结果
• 6.5.1.3 计算结果
• 6.5.2 膛口压力对二次燃烧影响的数值模拟
• 6.6 带制退器的三维膛口燃烧流场数值模拟
• 6.7 小结
• 7 结论和展望
• 7.1 本文的主要结论和创新之处
• 7.1.1 本文的主要结论
• 7.1.2 本文的创新之处
• 7.2 今后的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 雅可比矩阵及其左右特征矩阵
• 博士期间发表的论文