面向激波火焰相互作用问题的各向异性网格自适应求解技术研究

发布时间：2017-10-31 05:26

  本文关键词：面向激波火焰相互作用问题的各向异性网格自适应求解技术研究

  更多相关文章： 激波火焰相互作用 各向异性自适应网格 增厚火焰模型 大涡数值模拟

【摘要】：本文针对超声速湍流燃烧中的激波火焰相互作用问题,提出了基于各向异性非结构网格的自适应求解技术,并进行了数值模拟算法的验证工作。目前在激波火焰相互作用过程的数值模拟研究方面,还存在较多的技术难点和挑战。其一,流场特征复杂,流场中存在激波、火焰、边界层、介质界面等复杂流场结构及其之间的相互作用现象,这些流场物理量的空间分布具备很强的各向异性即方向性。第二点是激波火焰相互作用过程中会出现湍流燃烧现象,湍流流动和燃烧释热之间存在复杂的相互影响,具备扩散性强、大雷诺数、强漩涡等特征。第三点就是湍流、激波和火焰相互作用过程存在非定常性,时间空间尺度跨度很大,这就增加了准确描述流场信息的难度和计算量。采用数值模拟方法研究激波火焰相互作用问题存在上述多个方面的技术难点,本文主要从网格、格式、燃烧模型和自适应等四个方面分别采取了与之相适应的数值模拟技术,致力于构建一个能对激波火焰问题进行有效计算的数值分析工具。本文采用的网格为各向异性非结构网格,其各向异性特征可以适应流场物理量存在各向异性特征的本质,从而能在保证计算精度的同时有效降低计算网格的规模。在格式方面,采用两步Taylor Galerkin类有限元格式,该格式在时间和空间上均具有三阶精度,而且表现出低耗散性,同时引入Jameson人工粘性思想捕捉流场激波特征。采用的燃烧模型增厚火焰模型(结合大涡模拟算法),对复杂的燃烧湍流问题进行数值模拟计算。应用自适应求解技术,考虑燃烧过程的非定常性,提高计算的准确度和效率。本文基于前述四个方面的模拟技术,构建了可用于激波火焰相互作用问题计算的数值分析工具。我们采用分而治之的战略,从物理分析的角度对激波火焰相互作用问题进行了流场结构的分解,分别对激波结构、火焰结构、湍流燃烧等经典算例进行了数值验证工作,并将计算结果与实验数据或分析解进行了定性和定量的对比,验证了我们构建的数值分析工具能准确模拟激波火焰相互作用问题,可准确描述捕捉流场特征,并实现网格资源的合理化分配,有效降低计算规模。
【关键词】：激波火焰相互作用 各向异性自适应网格 增厚火焰模型 大涡数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231;V430
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 激波火焰相互作用研究的背景及意义13-24
• 1.1.1 超燃冲压发动机14-16
• 1.1.2 爆轰发动机16-24
• 1.2 数值模拟研究激波火焰相互作用的技术难点和处理方法24-27
• 1.2.1 数值模拟难点24-25
• 1.2.2 各向异性自适应网格25
• 1.2.3 高阶离散格式25-26
• 1.2.4 湍流燃烧数值模拟26-27
• 1.3 论文主要研究内容27-29
• 第2章 多组分气相反应流的控制方程及物理模型29-37
• 2.1 多组分气相反应流动控制方程29-31
• 2.1.1 雷诺输运定理29
• 2.1.2 混合气体的质量方程29-30
• 2.1.3 单组分气体运输方程30
• 2.1.4 混合气体的动量守恒方程30-31
• 2.2 本构方程31-33
• 2.2.1 应力张量31-32
• 2.2.2 组分扩散速度32-33
• 2.2.3 热流通量33
• 2.3 气体热物性参数和输运参数33-35
• 2.3.1 热物性参数33-34
• 2.3.2 单组分运输参数34-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 湍流数值模拟技术37-47
• 3.1 大涡模拟技术37-43
• 3.1.1 滤波方程及亚格子模型封闭37-43
• 3.2 增厚火焰模型43-47
• 3.2.1 增厚火焰模型的数学描述43-44
• 3.2.2 大涡模拟与增厚火焰燃烧模型44-45
• 3.2.3 动态增厚火焰模型(DTFM)45-47
• 第4章 可压缩流场的边界处理技术47-55
• 4.1 NS方程线化47-48
• 4.2 特征方程48-49
• 4.3 特征变量49-51
• 4.4 边界特征量的校正51-55
• 4.4.1 声速出口边界51-52
• 4.4.2 进口边界52-53
• 4.4.3 无滑移壁面边界53-55
• 第5章 基于各向异性非结构网格的自适应技术55-72
• 5.1 基于非结构网格的数值模拟方法55-63
• 5.1.1 非结构网格高阶计算简介55-56
• 5.1.2 单元顶点型存储技术及控制方程离散56-59
• 5.1.3 对流项处理方法之1：Lax-Wendroff离散格式59-61
• 5.1.4 对流项处理方法之2：TTGC离散格式61
• 5.1.5 粘性项处理方法61
• 5.1.6 人工粘性和激波捕捉61-62
• 5.1.7 并行燃烧模拟程序包(PCP)62-63
• 5.1.8 小结63
• 5.2 各向异性非结构网格自适应求解方法63-72
• 5.2.1 各向异性网格和度量张量基本概念64-65
• 5.2.2 各向异性自适应网格生成技术框架65-67
• 5.2.3 度量空间张量矩阵构造67-70
• 5.2.4 基于度量张量的各向异性网格生成70-72
• 第6章 典型算例的验证72-86
• 6.1 简介72
• 6.2 超声速楔形体绕流72-74
• 6.3 一维层流预混火焰74-76
• 6.4 二维对冲火焰76-80
• 6.5 三维本生灯火焰80-84
• 6.6 本章小结84-86
• 第7章 结论与展望86-89
• 7.1 结论86-87
• 7.2 研究展望87-89
• 参考文献89-93
• 作者简介93

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本文编号：1121010