化学非平衡流的计算方法研究及其在激波诱导燃烧现象模拟中的应用

论文摘要

流体动力学与化学反应动力学的耦合产生了各种复杂的物理现象。本文对高速化学反应流动特别是激波诱导燃烧现象进行了计算研究。根据一种基于时间分裂法求解化学非平衡流动的新型算法,将化学反应流中的流体动力学过程和化学反应动力学过程进行解耦处理。流体动力学部分求解直接引用成熟的量热完全气体的求解算法,只需增加更新等效比热比的模块,化学反应部分的求解引入刚性求解器以解决方程组的刚性。编制了基于MUSCL格式的有限差分法程序,细致数值模拟了Lehr的激波诱导燃烧实验,研究了不同反应机理对数值模拟的影响,发现反应机理对于反应流的数值模拟是至关重要的,根据绝热等体积爆炸模型估计了反应诱导时间和能量释放时间并以此对反应机理的影响作了解释;研究了网格和数值格式的影响,发现数值格式的耗散性会影响到计算的激波脱体距离;比较了三种刚性求解器对反应流计算结果的影响。为适应复杂外形下的计算,编制了非结构格心有限体积格式的程序。用非结构程序模拟了Lehr的激波诱导燃烧实验和驻定在二维尖劈上的斜爆轰波。计算结果与实验或文献的计算结果符合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 数值计算的难点
• 1.3 国内外计算研究概况
• 1.3.1 刚性问题处理方法概况
• 1.3.2 激波诱导燃烧数值研究概况
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 控制方程
• 2.1 热完全化学反应气体混合物的性质
• 2.1.1 混合气体的组成定义
• 2.1.2 热完全气体的焓和内能
• 2.1.3 热完全气体混合物的焓和内能
• 2.1.4 状态方程
• 2.2 化学动力学模型
• 2.2.1 基元反应
• 2.2.2 化学反应动力学
• 2.2.3 三体反应
• 2.2.4 反应速率
• 2.2.5 逆反应速率系数
• 2.3 二维/轴对称Euler 反应流方程组
• 第三章 数值计算方法
• 3.1 时间分裂法
• 3.2 流动算子求解
• 3.2.1 坐标变换
• 3.2.2 通矢量分裂格式
• 3.2.3 高阶格式
• 3.2.4 时间积分方法
• 3.2.5 时间步长的确定
• 3.2.6 初始条件和边界条件
• 3.3 化学反应方程组的求解
• 3.3.1 化学反应方程组的形式
• 3.3.2 刚性常微分方程组的解法
• 第四章 绝热等体积爆炸的数值模拟
• 4.1 绝热等体积爆炸模型
• 4.2 化学反应机理
• 4.3 绝热等体积爆炸的数值求解
• 4.3.1 比较计算化学反应的方法
• 4.3.2 比较各种化学反应机理
• 4.4 本章结论
• 第五章 有限差分法计算激波诱导燃烧现象
• 5.1 稳定爆轰流场计算
• 5.1.1 化学反应机理的影响
• 5.1.2 化学反应计算方法的影响
• 5.1.3 网格对计算结果的影响
• 5.1.4 数值格式对计算结果的影响
• 5.2 不稳定爆轰流场计算
• 5.2.1 弹丸飞行马赫数M=4.48 时的振荡燃烧现象模拟
• 5.2.2 弹丸飞行马赫数M=4.79 时的振荡燃烧现象模拟
• 5.2.3 弹丸飞行马赫数M=4.18 时的振荡燃烧现象模拟
• 5.3 本章结论
• 第六章 非结构有限体积方法计算激波诱导燃烧现象
• 6.1 非结构有限体积算法
• 6.1.1 半离散的有限体积公式
• 6.1.2 对流通量离散
• 6.1.3 高阶空间格式
• 6.1.4 限制器
• 6.1.5 时间积分算法
• 6.1.6 时间步长的确定
• 6.1.7 初始条件和边界条件
• 6.2 Lehr 的激波诱导燃烧实验模拟
• 6.2.1 M=6.46 时的稳定爆轰流场计算
• 6.2.2 M=4.48 时的振荡燃烧现象模拟
• 6.2.3 M=4.79 时的振荡燃烧现象模拟
• 6.2.4 M=4.18 时的振荡燃烧现象模拟
• 6.2.5 计算效率比较
• 6.2.6 小结
• 6.3 斜爆轰波模拟
• 6.4 本章结论
• 第七章 结束语
• 7.1 本文结论
• 7.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 组元热力学数据
• 附录B 化学反应动力学模型