复杂化学反应流场数值模拟的无网格方法及应用

发布时间：2017-05-05 08:04

  本文关键词：复杂化学反应流场数值模拟的无网格方法及应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无网格方法由于其空间离散只依赖节点的点云,无需将节点互连构成网格,对于包含复杂几何结构或运动刚体的流动问题具有传统数值方法无法比拟的灵活性、优越性。本文对复杂化学反应流场数值模拟的无网格方法及应用展开了研究。首先,通过对边界节点权重设置、理想推进点位置及权重计算、最佳推进点选取准则等关键问题的研究,发展了一套带权点填充布点方案,实现了复杂结构流场的均匀、非均匀布点,点云的构建则在布点过程中同步完成。布点试验表明该方法布点效果理想,并且具有良好的健壮性,为后续化学反应流动的无网格数值模拟奠定了基础。然后,采用二维多组分Euler方程进行流体动力学建模,在当地点云离散的基础上,应用最小二乘拟合逼近空间导数,引入多组分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和AUFS(Artificially Upstream Flux Vector Splitting)格式计算对流通量,并结合MUSCL方法对中心点和卫星点间中点两侧的流动变量进行重构,以提高计算精度；对于化学反应计算中的刚性问题,利用二阶精度的Strang分裂方法处理,其中流动方程运用四阶Runge-Kutta法显式推进,化学反应微分方程采用有限速率反应模型和隐式线性化方法求解,进而建立了一套非平衡化学反应流场数值模拟的无网格算法,并将其拓展到三维空间。通过激波诱导燃烧、斜劈诱导爆轰、胞格爆轰等标准算例,检验了算法的可行性、准确性。随后针对包含运动刚体的流动问题,创建了待删节点的判断依据,提出了重构空腔的快速确定方法,并调用带权点填充方法对空腔进行布点,采用线性插值进行新旧节点流动参数的传递,实现了畸形点云的重构。进而基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式Euler方程,在前文研究的基础上,建立了包含动边界非平衡化学反应流动的无网格数值模拟算法。鉴于重构过程一定程度上增加了计算量,为了进一步扩大计算规模、提高计算效率,基于SPMD (Single-Program Multiple-Data)模型对上述算法进行了并行化处理,其消息传递采用MPI(Message Passing Interface)。通过对圆柱绕流和7.62mm机枪理想发射过程的模拟验证了快速重构方法的有效性。最后,对复杂化学反应流动数值模拟的无网格算法在实际工程问题中的应用能力进行了检验。对不同锥角、飞行速度时,弹丸诱导爆轰波流场进行了数值模拟；对不含、含尾喷管时,脉冲爆轰发动机单循环过程内外流场进行了数值计算;重点对12.7mm高射机枪膛口化学反应流场进行了数值研究,并分析了发射药成分、膛口装置、膛口压力、大气环境等对膛口焰的影响。
【关键词】：无网格方法 非平衡化学反应流动 局部点云重构 并行计算 膛口焰
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ031
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 主要符号说明15-16
• 1 绪论16-25
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-23
• 1.2.1 无网格方法研究现状17-22
• 1.2.2 非平衡化学反应流模拟研究现状22-23
• 1.3 本文主要研究内容与工作23-25
• 2 流场布点与点云构建25-37
• 2.1 引言25
• 2.2 边界推进及扇形填充布点25-27
• 2.3 非结构网格无网格化27-28
• 2.4 带权点填充布点及点云构建28-36
• 2.4.1 数据结构28
• 2.4.2 填充布点过程28-33
• 2.4.3 布点示例33-36
• 2.5 小结36-37
• 3 化学反应流场的无网格数值模拟37-64
• 3.1 引言37
• 3.2 控制方程37-38
• 3.3 多组分热完全气体及热力学关系38-39
• 3.4 化学反应模型39-41
• 3.5 数值方法41-52
• 3.5.1 空间离散41-47
• 3.5.2 时间离散47-48
• 3.5.3 源项处理48-50
• 3.5.4 初始条件与边界条件50-52
• 3.5.5 加速处理52
• 3.6 验证算例52-64
• 3.6.1 NACA0012翼型绕流52-55
• 3.6.2 钝头弹激波诱导燃烧55-58
• 3.6.3 斜劈诱导爆轰58-60
• 3.6.4 圆杆诱导燃烧60-62
• 3.6.5 气相爆轰波流场62-64
• 4 含动边界化学反应流场的无网格数值模拟64-84
• 4.1 引言64
• 4.2 动态点云方法64-73
• 4.2.1 局部点云重构方法64-70
• 4.2.2 局部点云重构处理流程70-71
• 4.2.3 简单示例71-73
• 4.3 ALE形式控制方程73-74
• 4.4 数值方法74-76
• 4.4.1 空间离散74-75
• 4.4.2 时间离散75-76
• 4.4.3 初始条件与边界条件76
• 4.5 并行策略76-80
• 4.5.1 并行计算概述76-77
• 4.5.2 分区方法77-80
• 4.5.3 并行效率80
• 4.6 验证算例80-83
• 4.6.1 圆柱绕流流场80-81
• 4.6.2 7.62mm步枪理想发射过程81-83
• 4.7 小结83-84
• 5 三维化学反应流场的无网格数值模拟84-92
• 5.1 引言84
• 5.2 控制方程84
• 5.3 数值方法84-87
• 5.3.1 空间离散84-87
• 5.3.2 时间推进87
• 5.3.3 边界条件87
• 5.4 验证算例87-91
• 5.4.1 带攻角高速飞行弹丸定常绕流87-89
• 5.4.2 斜劈诱导爆轰89-90
• 5.4.3 激波诱导燃烧90-91
• 5.5 小结91-92
• 6 化学反应流场无网格数值模拟的应用92-125
• 6.1 高速飞行弹丸诱导爆轰波数值模拟92-95
• 6.2 脉冲爆震发动机内外流场数值模拟95-100
• 6.2.1 脉冲爆震发动机内外流场数值模拟96-98
• 6.2.2 含尾喷管脉冲爆震发动机内外流场数值模拟98-100
• 6.3 膛口化学反应流场数值模拟100-120
• 6.3.1 膛口流场概述100-102
• 6.3.2 膛口化学反应流场数值模拟102-109
• 6.3.3 膛口焰影响因素数值研究109-120
• 6.4 带制退器三维膛口流场数值模拟120-125
• 7 结论125-127
• 7.1 本文主要研究成果125
• 7.2 本文主要创新点125-126
• 7.3 未来工作展望126-127
• 致谢127-128
• 参考文献128-140
• 附录140

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 崔东明,范宝春,邢晓江;驻定在高速弹丸上的斜爆轰波[J];爆炸与冲击;2002年03期

2 吴宗敏;径向基函数、散乱数据拟合与无网格偏微分方程数值解[J];工程数学学报;2002年02期

3 蔡晓伟;谭俊杰;张木;张旺龙;任登凤;;粘性流模拟中基于点云重构的最小二乘无网格法[J];南京理工大学学报;2013年06期

4 蔡晓伟;谭俊杰;王园丁;任登凤;WANG Huasheng;石清;;两种k-ω型湍流模型在无网格方法中的应用研究[J];空气动力学学报;2014年05期

5 代淑兰;许厚谦;;高速飞行弹丸诱导的三维爆轰波数值模拟[J];推进技术;2007年02期

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本文编号：345955