超声速内外流干扰的数值方法研究及其实验验证与应用

论文摘要

本文以超声速内外流干扰为研究对象,以计算方法的建立、验证及应用为主线,采用计算为主、实验为辅的研究方法,对超声速内外流的异质气体干扰特性、非定常喷流干扰控制与燃烧特性等方面开展了研究。发展了层流、湍流、化学非平衡流的统一算法,建立了数值模拟软件,完成了算法的数值验证。该算法的主要特征为:⑴基于多组分NS方程和Menter’s Shear-Stress Transport k ?ω两方程湍流模型,对流动项和化学反应生成源项进行解耦处理,有效解决了化学非平衡流计算中的刚性问题;⑵基于结构网格,采用有限差分法进行方程离散,流动项的时间离散采用Runge-Kutta法（避免了原算法中采用时间分裂法时对差分格式的限制）,对流项离散采用NND-1或WAF格式,粘性项采用中心差分格式。数值验证表明:该算法具有较高的时空精度,非常适合对非定常流动尤其是非定常化学非平衡流动进行模拟。基于平面激光诱导荧光技术和纹影技术,设计并开展了异质喷流干扰的一个模型实验。模型实验表明:⑴采用平面激光诱导荧光技术和纹影技术相结合的实验技术,可以对喷流干扰流场进行有效的光学诊断,平面激光诱导荧光技术适合于异质喷流干扰的显示和测量;⑵喷流介质的物性参数（比热比和气体常数）对喷流干扰有重要影响。针对典型异质气体喷流干扰问题,开展了算法的应用。第一,数值模拟了固体火箭发动机尾喷流的干扰流场,分析了工程实验中防护板发生脱落的原因之一在于喷流的引射效应。第二,数值模拟了导弹横喷干扰流场,获得了典型工况下推力放大系数随横喷燃气比热比的关系曲线,建立了一种通过调整横喷总压来关联冷喷和热喷数据的方法。第三,数值模拟了典型超燃冲压发动机燃烧室内的横喷干扰流场,捕捉到了实验没有发现的横喷燃料沿下游运动并向凹腔扩散的非定常流动现象。以超燃实验中的脏空气效应问题为背景,设计了具有随机特性的脏空气来流条件下钝头体激波诱导振荡燃烧的算例,数值研究了来流随机扰动对非定常化学非平衡流的影响问题。在脏空气来流参数和飞行来流参数均值一致的前提下,对脏空气来流工况和飞行来流工况的计算结果进行有效对比,结果表明:当随机扰动最大相对偏差值小于5%时,脏空气来流的随机特性对流动的基本结构演变影响不大,但对流动参数随时间变化的细节有直接影响,且该影响呈无规则、非线性的随机态势。以超燃研究中的增强混合燃烧问题为背景,根据漩涡增强混合燃烧的流动机理,采用非定常流动控制技术,依托多个燃料加注喷嘴进行脉冲式喷注,设计了“新型超燃冲压发动机燃料交替脉冲喷注器”的方案,并对其在典型超燃冲压发动机中的应用特性进行了数值模拟研究。研究表明:采用燃料交替脉冲喷注器进行燃料加注时,燃料以团状进入燃烧室,在漩涡的作用下可充分与空气混合并高效地组织燃烧,可缩短燃烧的流向分布空间,从而有利于通过缩短隔离段和燃烧室的长度来减轻发动机重量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声速内外流干扰研究的背景和意义
• 1.2 超声速内外流干扰研究的历史与现状
• 1.2.1 超声速内外流干扰的实验研究
• 1.2.2 超声速内外流干扰的数值模拟研究
• 1.2.3 超声速内外流干扰相关的若干研究问题评述
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 控制方程、计算方法及软件的数值验证
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 流动控制方程
• 2.1.2 化学反应动力学模型
• 2.1.3 湍流模型
• 2.2 层流、湍流、化学非平衡流的统一算法
• 2.2.1 算法出发方程
• 2.2.2 计算化学非平衡流的时间分裂法和刚性处理方法
• 2.2.3 流动算子的计算方法
• 2.2.4 流场初始条件和边界条件及其处理
• 2.3 软件简介
• 2.4 流动数值模拟软件的数值验证
• 2.4.1 差分格式的验证算例
• 2.4.2 层流的验证算例
• 2.4.3 湍流的验证算例
• 2.4.4 异质流的验证算例
• 2.4.5 化学非平衡流的验证算例
• 2.5 小结
• 第三章 超声速内外流干扰的实验技术和模型实验
• 3.1 丙酮PLIF 技术及其流场测试原理
• 3.2 丙酮加注技术
• 3.3 PLIF 实验系统
• 3.4 自由射流的丙酮PLIF 显示与测量
• 3.4.1 实验装置与射流工况
• 3.4.2 计算相关条件
• 3.4.3 结果对比分析
• 3.5 异质喷流干扰的模型实验
• 3.5.1 实验方案与实施情况
• 3.5.2 计算条件简介
• 3.5.3 结果与分析
• 3.6 小结
• 第四章 软件在异质气体喷流干扰模拟中的应用
• 4.1 固体火箭发动机异质尾喷流干扰的数值模拟与分析
• 4.1.1 物理模型与计算相关条件
• 4.1.2 计算结果与讨论
• 4.1.3 结论
• 4.2 导弹异质横喷干扰的数值模拟与分析
• 4.2.1 物理模型与计算相关条件
• 4.2.2 网格敏感性分析
• 4.2.3 有喷状态计算结果的可靠性验证
• 4.2.4 异质气体喷流干扰效应分析
• 4.2.5 冷喷、热喷数据相关性的方法
• 4.2.6 结论
• 4.3 超声速燃烧室异质横喷干扰的数值模拟与分析
• 4.3.1 实验模型及参数
• 4.3.2 计算相关说明
• 4.3.3 计算结果与讨论
• 4.3.4 结论
• 第五章 软件在超燃冲压发动机基础研究中的应用
• 5.1 来流随机扰动对化学非平衡流的影响研究
• 5.1.1 研究背景
• 5.1.2 计算相关说明
• 5.1.3 计算结果与分析
• 5.1.4 结论
• 5.2 新型超燃冲压发动机燃料交替脉冲喷注器方案设计及其特性研究
• 5.2.1 研究背景
• 5.2.2 新型超燃冲压发动机燃料交替脉冲喷注器的方案设计
• 5.2.3 新型超燃冲压发动机燃料交替脉冲喷注器的应用特性数值试验
• 5.2.4 结论
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术成果
• 作者在攻读博士学位期间参与的科研工作
• 附录A 化学反应动力学模型的量纲分析与无量纲化
• 附录B 化学反应动力学模型与组分热力学特性相关参数
• 附录C WAF 差分格式和HLLC 型近似Riemann 求解器