CE/SE方法及其在脉冲爆轰发动机流场计算中应用的研究

论文摘要

CE/SE方法是近年来提出的一种新的求解双曲型守恒方程的数值计算方法。它在构造思想上与其它传统的数值方法不同,将空间和时间完全统一起来同等对待,具有计算精度高、捕捉间断能力强等突出优点。脉冲爆轰发动机是一种利用脉冲式爆轰波产生推力的新概念发动机,由于具有结构简单、热循环效率高、单位燃料消耗率低、工作范围广等特点,使它在军用和民用方面具有广阔的应用前景,可能成为本世纪新型动力装置。本文根据时空守恒元与求解元思想,推导了一维、二维和三维CE/SE方法的计算格式,用于对脉冲爆轰发动机内、外流场的数值计算中,编制了相关数值计算程序,获得了脉冲爆轰发动机内、外流场的变化特点。主要内容包括:(1)推导了一维CE/SE方法计算格式,用于对脉冲爆轰发动机内一维流场的数值计算中,编制了相关数值计算程序,并分析得到了燃料填充系数及几种不同形状喷管对脉冲爆轰发动机性能影响关系;(2)推导了二维无粘CE/SE方法计算格式,编制相关数值计算程序,实现了对脉冲爆轰发动机内、外轴对称无粘流场的数值模拟,获得了脉冲爆轰发动机内、外流场的变化特点;(3)推导了二维粘性及湍流CE/SE方法计算格式,将之用于对脉冲爆轰发动机内、外轴对称粘性及湍流流场的数值计算中,编制了相关数值计算程序,获得了脉冲爆轰发动机内、外粘性流场的变化特点;(4)建立了多管脉冲爆轰发动机数学物理模型,推导了三维无粘CE/SE方法计算格式,编制了相关数值计算程序,实现了对多管脉冲爆轰发动机外三维流场的数值模拟;(5)推导了三维粘性CE/SE方法计算格式,用于对多管脉冲爆轰发动机外三维粘性流场的数值计算中,编制了相关数值计算程序,计算获得了多管脉冲爆轰发动机外粘性流场的变化特点;(6)推导了一维、二维非敏感CFI数CE/SE方法,即CNIS方法,用激波管问题和斜激波反射问题对该方法进行了验证,并将该CNIS方法应用于脉冲爆轰发动机内、外流场的数值计算中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 脉冲爆轰发动机工作过程
• 1.2.1 脉冲爆轰发动机概念及特点
• 1.2.2 脉冲爆轰发动机循环过程
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 CE/SE方法研究现状
• 1.3.2 脉冲爆轰发动机实验研究现状
• 1.3.3 脉冲爆轰发动机数值模拟研究现状
• 1.4 本文所做的主要工作
• 2 一维CE/SE方法及其在脉冲爆轰发动机内流场计算中的应用
• 2.1 脉冲爆轰发动机内一维非定常流动数学物理模型
• 2.1.1 基本假设
• 2.1.2 控制方程
• 2.2 一维CE/SE方法
• 2.2.1 守恒元与求解元的确定
• 2.2.2 计算格式的推导
• 2.2.3 边界条件及源项的处理
• 2.3 填充系数对脉冲爆轰发动机性能影响分析
• 2.3.1 脉冲爆轰发动机性能分析模型
• 2.3.2 计算结果及分析
• 2.4 不同形状喷管对脉冲爆轰发动机性能影响分析
• 2.4.1 几种不同形状喷管的脉冲爆轰发动机模型
• 2.4.2 计算结果及分析
• 2.5 本章小结
• 3 二维无粘CE/SE方法及其在脉冲爆轰发动机内外流场计算中的应用
• 3.1 脉冲爆轰发动机轴对称非定常无粘流动数学物理模型
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 控制方程
• 3.2 二维无粘CE/SE方法
• 3.2.1 守恒元与求解元的确定
• 3.2.2 计算格式的推导
• 3.2.3 源项及边界条件的处理
• 3.3 无喷管脉冲爆轰发动机内轴对称流场的数值计算
• 3.4 带收敛扩张喷管脉冲爆轰发动机内轴对称流场的数值计算
• 3.4.1 带收敛扩张喷管的脉冲爆轰发动机模型
• 3.4.2 坐标变换
• 3.4.3 计算结果及分析
• 3.5 脉冲爆轰发动机外轴对称流场的数值计算
• 3.5.1 计算区域及初始条件和边界条件
• 3.5.2 计算结果及分析
• 3.6 本章小结
• 4 二维粘性CE/SE方法及其在脉冲爆轰发动机内外粘性流场计算中的应用
• 4.1 脉冲爆轰发动机轴对称非定常粘性流动的基本方程
• 4.2 二维粘性CE/SE方法
• 4.2.1 计算格式的推导
• 4.2.2 粘性流固壁边界条件处理方法
• 4.2.3 源项及其它边界条件的处理
• 4.3 脉冲爆轰发动机轴对称粘性流场的数值计算
• 4.3.1 内流场计算结果及分析
• 4.3.2 外流场计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 二维湍流CE/SE方法及其在脉冲爆轰发动机内外轴对称湍流计算中的应用
• 5.1 脉冲爆轰发动机轴对称湍流的基本方程
• 5.2 湍流模型
• 5.2.1 标准k-ε两方程模型
• 5.2.2 低雷诺数k-ε模型
• 5.3 二维湍流CE/SE方法
• 5.4 数值计算结果及分析
• 5.5 本章小结
• 6 三维无粘CE/SE方法及其在多管脉冲爆轰发动机外流场计算中的应用
• 6.1 多管脉冲爆轰发动机外三维非定常无粘流动的基本方程
• 6.2 三维无粘CE/SE方法
• 6.2.1 守恒元与求解元的确定
• 6.2.2 计算格式的推导
• 6.2.3 边界条件的处理
• 6.3 三管脉冲爆轰发动机流场的数值计算
• 6.3.1 三管脉冲爆轰发动机模型
• 6.3.2 计算结果及分析
• 6.4 七管脉冲爆轰发动机流场的数值计算
• 6.4.1 七管脉冲爆轰发动机计算区域的划分
• 6.4.2 初始条件与边界条件
• 6.4.3 计算结果及分析
• 6.5 本章小结
• 7 三维粘性CE/SE方法及其在多管脉冲爆轰发动机外粘性流场计算中的应用
• 7.1 多管脉冲爆轰发动机外三维非定常粘性流动的基本方程
• 7.2 三维粘性CE/SE方法
• 7.3 多管脉冲爆轰发动机外粘性流场的数值计算
• 7.3.1 多管脉冲爆轰发动机模型
• 7.3.2 初始条件与边界条件
• 7.3.3 计算结果及分析
• 7.4 多管脉冲爆轰发动机无粘流场和粘性流场计算结果对比
• 7.5 本章小结
• 8 非敏感CFL数CE/SE方法及其在脉冲爆轰发动机流场计算中的应用
• 8.1 一维非敏感CFL数CE/SE方法
• 8.1.1 计算格式的推导
• 8.1.2 激波管问题验证
• 8.2 脉冲爆轰发动机内一维非定常流场的数值计算
• 8.3 二维非敏感CFL数CE/SE方法
• 8.3.1 计算格式的推导
• 8.3.2 斜激波反射问题验证
• 8.4 脉冲爆轰发动机内轴对称非定常流场的数值计算
• 8.5 脉冲爆轰发动机外轴对称非定常流场的数值计算
• 8.6 本章小结
• 9 总结及展望
• 9.1 本文主要工作总结及创新点
• 9.2 需解决的问题及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目