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化学非平衡流计算方法改进及其应用

发布时间:2020-09-18 15:03
   相对于量热完全气体流动控制方程组的求解过程,超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程组存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。隐式方法和解耦方法是两种常用的求解刚性问题的计算方法:隐式方法的时间步长可以不受稳定性的限制,但是其缺点是计算量较大,在每一个时间步内的迭代都需要对矩阵进行求逆计算。解耦方法将多物理问题分解为若干个子问题,计算过程中避免了矩阵求逆所带来的巨大计算量,其缺点体现在不同方法的数值不稳定性会对计算结果产生影响。改进解耦方法中引入等效能量和等效比热比,对能量方程进行改造后将控制方程组分解成流动和化学反应相互独立的两部分,每一部分可以采取各自的成熟方法对其进行计算。本文在改进解耦方法的基础上,继续对超声速流动中混合气体的燃烧现象进行数值模拟,以提高计算效率为目的开展相关理论研究。针对化学反应常微分方程组进行线性化改造,使其满足精细积分方法的求解形式。采用精细积分方法对多个数值算例进行模拟,与其他两种传统计算方法的模拟结果进行对比,体现精细积分方法求解化学反应常微分方程组的优良特性。流动部分控制方程组描述的是多组元混合气体的冻结流动,根据流动现象的本质,提出了流动算子优化方法:在更新求解变量的过程中,采用记录进出相邻单元边界的对流通量和扩散通量对组元密度进行时间更新,方程求解数目的减少可以提高流动算子的计算效率。针对经典的弹道靶实验进行数值模拟,通过模拟结果的对比,体现流动算子优化方法对计算效率的影响。化学反应的发生需要满足一定的条件,在未发生化学反应或反应达到平衡的空间区域内组元质量生成率接近为零,结合反应动力学理论提出了反应算子空间自适应方法:对全场计算单元进行判断,满足准则条件的单元进行化学反应的迭代求解,最终实现化学反应自适应开启/关闭的功能。采用该方法对多个超声速流动中混合气体的燃烧问题进行数值模拟,通过数据结果的对比表明反应算子空间自适应方法对计算效率的影响。结合流动算子优化方法和反应算子空间自适应方法对三维问题进行综合测试,针对存在侧向喷流干扰的超声速流动问题,考虑化学非平衡流模拟方法的计算结果更为接近于实验数据;将侧喷发动机作为提供气动力的辅助装置,验证了两级入轨飞行器分离方案设计,同时表明本文所提出的方法能够应用于实际工程问题的数值模拟。
【学位单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2018
【中图分类】:O643.21
【部分图文】:

航天运载器,可重复使用运载器,运载器


成、运营成本、可靠性和操作效率等方面均面临严峻的挑战W。纵观目前世界上所有使逡逑用中的运载系统,除了美国的航天飞机能够部分重复使用外,其余的运载系统(运载逡逑火箭)都是一次性运载器(Expendable邋Launch邋Vehicle,邋ELV)[2j,如图1.1(a)所不,即逡逑每发射一次就要彻底地消耗掉一枚运载火箭。ELV的缺点主要体现在发射准备周期长、逡逑安全性低、发射费用过高等,显然无法满足新时期对航天运载器快速、可靠、廉价地进逡逑入空间的总要求。相关研究表明,目前航天运载器的发射成本大约为每千克有效载荷1逡逑万至2万美元,尽管个别私营企业如美国的SpaceX公司发射的猎鹰9号可以显著降逡逑低发射费用,但是对于航天运载器这种消耗性巨大的系统来说,发射成本的下限仍然逡逑相对较高W1。在运载火箭制造和发射成本居高不下的今天,如何降低发射成本已成为逡逑各航天大国研究的新方向W。世界各国都在积极发展具备优良经济性、能够快速进入空逡逑间、可靠性局的可重复使用运载器(Reusable邋Launch邋Vehicle,邋RLV)[61,如图1.1(b)所逡逑示,RLV能够重复使用,可以将运载器部件的成本分摊到每次发射上,通过运载器的逡逑多次重复使用来降低以往高额的发射费用W。逡逑RLV的设计和制造涉及诸多领域的先进技术和方法

曲线,反应机理,温度,曲线


图3.1温度随时间变化曲线(H2/02反应机理)逡逑Fig.邋3.1邋The邋changing邋curves邋of邋temperatures邋with邋time邋(H2/O2邋reaction邋mechanism)逡逑

曲线,反应机理,温度,曲线


逦0.0002逡逑Time/s逡逑图3.1温度随时间变化曲线(H2/02反应机理)逡逑Fig.邋3.1邋The邋changing邋curves邋of邋temperatures邋with邋time邋(H2/O2邋reaction邋mechanism)逡逑3000邋-逡逑4—<—4 ̄^—4-A—4 ̄4—4—4-逡逑-逦??逡逑■逦??逡逑_逦■?逡逑V.逦2500逦-逡逑£逡逑1逡逑i-逦-逦1逡逑^逦2000逦-逦j逡逑f邋逦精细和分方法逡逑>逦常d撤种榻谭椒ㄥ义希у危煎文鈠i态it此方法逡逑1500-邋 ̄^邋|逦丨逦|逦|逦,逡逑0逦0.001逦0.002逦0.003逦0.004逦0.005逡逑Time/s逡逑图3.2温度随时间变化曲线(CH4反应机理)逡逑Fig.邋3.2邋The邋changing邋curves邋of邋temperatures邋with邋time(CH4邋reaction邋mechanism)逡逑—4

【参考文献】

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本文编号:2821807

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