非平衡流计算方法及其模拟激波诱导振荡燃烧

给出一种数值模拟高超声速化学非平衡流动的计算方法，采用流动项与化学反应生成源项解耦处理，即可以有效地解决非平衡流动计算中遇到的刚性问题，还具有公式推导简单和应用方便的优点。从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超音速H2／Air预混合气体钝体绕流场，较好分辨出流场中激波诱导振荡燃烧非定常流动现象，表明计算方法具有较高的精度。对计算方法的效率和网格数的影响也进行研究。     

化学动力学模型对H2/AIR超燃模拟的影响

为了研究超燃流动中不同化学反应模型的影响，提出流动项与化学反应生成源项解耦处理的化学非平衡流动计算方法，从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超声速H2／Air 预混合气体中钝体激波诱导的振荡燃烧流场，针对飞行速度大于和接近爆轰速度两种不同流动状态，比较Evans-Schexnayder提出的7组分8反应机理（ES模型），Jachimowski提出的13组分32反应机理（J模型）及其简化为9组分19反应机理（J－1模型）对流场参数的影响，计算表明反应机理引起压力场变化较小，对温度等参数影响较大，对于飞行马赫数低于7的问题，取不包括N原子反应的Jachimowski的9组分19反应机理较合适。     

混合解析/数值方法在含高频振荡点源项的欧拉方程数值计算上的应用

 通过模型方程分析看到了一个重要的现象, 如果源项涉及的时间尺度远小于对流项的时间尺度, 那么基于对流时间尺度作为步长的传统数值方法, 即使源项相对于墩流项是个小量, 也会导致平均尺度上错误的结果。为了克服这种困难, 采用时间分裂方法, 把方程分裂成含对流项部分的偏微分方程( PDE) 和包含源项的常微分方程(ODE) 基础上, PDE 使用传统的数值方法, ODE 用解析的方法求解。该混合方法在数值格式时间步长小于平均流动时间尺度时, 得到正确解, 而与点源所隐含的时间尺度无关。把这个方法应用在含源流动的Euler 方程的计算中, 计算了翼型振荡问题, 取得了理想的结果。     

混合解析/数值方法及其在湍流数值模拟上的应用

针对带小时间尺度的源项的方程描述的流动问题,提出了混合解析/数值方法。混合解析/数值方法的基本思想是:分裂原始方程组为对流-扩散部分的偏微分方程和源项的常微分方程。偏微分方程采用合适的数值方法求解,而常微分方程采用解析方式积分。模型方程的理论误差研究表明,混合方法提高了源项处理的精度,降低了混合方法的整体数值误差。分析同时表明,基于时间分裂的算法在求解含源项双曲系统的定常类型问题,会存在数值振荡。为此发展了非分裂方式的混合解析/数值方法,在湍流模型数值计算中提高了数值稳定性,而且加快了计算的收敛速度。     

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

甲烷/空气超声速燃烧流动数值模拟

用流动项与化学反应生成源项解耦处理的化学非平衡流动计算方法，从薄层近似三维N-S方程出发，采用ENO差分格式数值模拟了超声速冲压加速器简化模型中，高速甲烷气流从后体多个喷口射入高超声速空气流形成流场，研究了高温异质气体效应和19组分65反应模型的非平衡效应对冲压加速器表面压力分布的影响。计算表明新型解耦方法适合反应机理复杂的碳氢燃料超燃冲压发动机内部流动模拟，为开发应用软件系统打下基础。     

椭圆型条件矩封闭模型在湍流扩散火焰中的应用

使用考虑分子扩散与湍流扩散的椭圆型CMC模型对钝体绕流扩散火焰进行了数值模拟计算,计算的工况包括CH₄/H₂、CO/H₂和CH₃OH等燃料在空气中的燃烧。在数值计算中使用了k-ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,并将计算结果与实验数据进行了对比,讨论了计算结果与实验数据之间偏差产生的原因,还分析了条件平均变量的空间变化。结果表明,条件平均温度、OH、CO和NO等组分的质量分数的计算结果与实验数据有着很好的一致性,说明椭圆型CMC模型是一种能有效地预测湍流非预混火焰中组分浓度和温度的计算方法。      

COIL化学非平衡流动的一种解耦方法研究

提出了一种计算氧碘化学激光器化学非平衡流动的解耦方法.求解二维可压缩非定常N-S方程及组分连续方程,计算氧碘化学激光器中的组分混合反应流场.空间离散格式为AUSM up格式,用四步龙格-库塔方法作显式时间推进.假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型.使用一种"点隐式"方法来处理化学源项的刚性问题.计算结果表明本文方法可以有效解决计算中的刚性问题,与现有隐式算法相比减少了大量的矩阵运算,公式推导简单,易于实现和改进.     

化学非平衡解耦算法精度分析及其改进

模拟化学非平衡流问题涉及到流动方程和化学反应方程两部分的求解,流动方程组中包含所有组元的偏微分方程,导致求解变量成数量级增加,点隐算法和全隐算法在求解源项刚性问题时,通常会涉及到矩阵求逆运算,这些因素带来的巨大计算量限制了隐式算法在复杂工程问题中的应用。1993年刘君提出了化学非平衡流解耦算法,将控制方程组分解为流动和化学反应两部分,流动方程的求解采用冻结流假设来描述流体微团沿流线的运动过程,化学反应方程的求解描述流体微团在随体坐标系下发生绝热、定容的爆炸过程。结合解耦算法和有限体积法的特点对这种解耦算法进行改进,提出的优化算法不需要求解组元变量所对应的偏微分方程组,只求解由5个基本变量构成的,形式上与量热完全气体近似的偏微分方程组,通过对比计算结果发现优化算法可以显著地提高计算效率。同时,将精细积分方法应用于化学非平衡流问题的求解中,通过与传统的VODE方法和α-QSS方法对比发现,精细积分方法的鲁棒性更优、精度对时间步长不敏感,适当的选取时间步长,可以充分发挥精细积分方法的优势。     

超燃冲压发动机燃烧室的燃烧特性

以一种低内阻光滑通道煤油超燃冲压发动机燃烧室为应用背景,采用有限差分法对燃烧室超声速流场进行了数值模拟.对流项采用3阶WENO（weighted essentially non-oscillatory）格式,湍流模型为SST（shear stress transport） k-ω模型,煤油（C₁₂H₂₃）/空气反应模型采用单步化学动力学模型.将燃烧室中沿侧壁的壁面静压的计算结果与实验结果进行了对比,结果符合良好,说明该算法适用于煤油超燃燃烧室计算. 研究了燃烧室来流静温、燃料/空气当量比和射流位置对煤油超声速流动与燃烧的影响.计算结果表明:燃烧集中在安装喷嘴一侧的壁面边界层附近,点火位置对当地静温非常敏感.随着来流静温降低、燃料/空气当量比减小和燃烧室扩张角增大,燃烧效率降低,燃烧性能下降,点火位置逐渐向燃烧室出口移动,燃烧放热形成的激波串结构消失.在燃烧室上、下壁面交错布置燃料喷嘴有利于提高燃烧效率.基于此,初步获得了光滑通道燃烧室内煤油点火燃烧的临界条件.      

A low-diffusion robust flux splitting scheme towards wide-ranging Mach number flows

This paper develops a low-diffusion robust flux splitting scheme termed TVAP to achieve the simulation of wide-ranging Mach number flows. Based on Toro-Vázquez splitting approach, the new scheme splits inviscid flux into convective system and pressure system. This method introduces Mach number splitting function and numerical sound speed to evaluate advection system. Meanwhile, pressure diffusion term, pressure momentum flux, interface pressure and interface velocity are constructed to measure pressure system. Then, typical test problems are utilized to systematically assess the robustness and accuracy of the resulting scheme. Matrix stability analysis and a series of numerical cases, such as double shear-layer problem and hypersonic viscous flow over blunt cone, demonstrate that TVAP scheme achieves excellent low diffusion, shock stability, contact discontinuity and low-speed resolution, and is potentially a good candidate for wide-ranging Mach number flows.     

三维超声速混合层内标量混合的大涡模拟

对三维对流马赫数0.62的超声速混合层流动的标量混合进行大涡模拟, 控制方程对流项采用五阶精度的WENO格式求解, 小尺度涡的作用采用一方程LDKM亚格子模型处理, 过滤后的组分方程中的亚格子组分对流通量采用梯度扩散模化.模拟得到了混合层流场大尺度拟序结构以及标量场的演化过程, 研究表明标量混合过程受混合层内涡系演化所控制, 标量场具有明显的三维特征.模拟得到的速度、组分及其脉动的统计时均结果和实验结果相符较好.      

强迫对流下硼颗粒燃烧特性影响因素研究

针对冲压发动机燃烧室内强迫对流下的硼颗粒燃烧特性展开了系统研究,考虑气相流动、扩散和表面单步有限化学反应动力作用,建立了强迫对流下硼颗粒燃烧过程的物理和数学模型;采用有限体积法求解含多组分反应流的二维轴对称Navier-Stokes方程,并验证了数值仿真方法的正确性。首先通过数值仿真研究了来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数和环境压力等因素对硼颗粒燃烧特性的影响,并对其成因展开了详细分析。研究表明,在强迫对流作用下,硼颗粒总的燃烧质量流率和质量流率通量均随来流速度、颗粒半径、环境中氧气质量分数和环境压力的增加而增大。通过深入分析发现,强迫对流下硼颗粒的燃烧质量流率通量随着来流雷诺数的增加而增大。然后基于大量数值仿真结果,对相对静止气氛下的硼颗粒质量流率通量进行了修正,用于描述强迫对流下的硼颗粒燃烧特性。     

强制偏流喷管的数值仿真

采用薄层Ｎ－Ｓ方程成功地求解了强制流喷管内的三维复杂流场，对通量项和压力项用Ｖａｎ Ｌｅｅｒ发展的矢通量分裂法进行了离散，对离散方程采用线超松弛方法迭代求解，在亚音速与超音速气流共同存在的出口边界分情况进行了处理。计算结果验证了强制偏喷管具有自动补偿外界压力变化的能力，与实验结果基本吻合。     

近空间高超声速流场通量分裂型DSMC-IP方法

针对近空间高超声速流场的特点,采用Van Leer格式对直接模拟蒙特卡洛-信息保存(DSMC-IP)方法质量守恒方程中的计算格式进行改进.将局部马赫数作为分裂通量的标准,并重构单元分界面两侧的左右输运通量,使得计算格式具有通量分裂的特点,解决了DSMC-IP方法在高超声速流场计算中的应用问题.将改进后的通量分裂型DSMC-IP方法引入非结构网格中,对二维近空间高超声速流场进行数值模拟.计算结果表明:通量分裂型DSMC-IP方法所得出的数值结果与实验值及参考值符合较好,明显降低了直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法所带来的统计耗散.当来流气体的稀薄程度增加时,其非平衡效应也更加明显,而通量分裂型DSMC-IP方法的计算结果与参考值相差均在10%以内,良好地反映了非平衡条件下的流场特征,验证了通量分裂型DSMC-IP方法的可行性和有效性.      

非结构混合网格高雷诺数流动计算中一种改进的LU-SGS隐式格式(英文)

The lower-upper symmetric Gauss-Seidel (LU-SGS) implicit relaxation has been widely used because it has the merits of less dependency on grid topology,low numerical complexity and modest memory require...     

倾斜管内自然对流沸腾临界热流密度的研究

用实验方法对浸没在饱和液体中的倾斜加热细管内的自然对流沸腾临界热流密度进行了研究,考察了管径,管长,倾斜角和工质对临界热流密度的影响。实验条件是:管内径从0.9mm到8mm;管长从100mm到400mm;倾斜角从90°到30°。实验工质使用了水和R-11两种液体。本研究中考虑倾斜角对重力的影响,对作者过去提出的用于预示垂直加热管内自然对流沸腾临界热流密度的半理论半经验式进行了修正,修正后的公式能较好的预示本实验结果。      

旋转爆震波发动机二维数值模拟

采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H2/Air预混气旋转爆震发动机内流场进行了二维数值模拟。模拟结果给出了不同发动机尺寸条件下的详细起爆过程,结果表明当发动机尺寸小于临界直径时无法成功起爆;详细分析了流场结构和爆震波形状,旋转爆震波的传播速度与理论预测值吻合;性能分析结果表明在喷注总压低于燃烧室平均压力时仍可实现推进剂喷注,没装尾喷管的情况下发动机比冲达到176.5s。     

二维Euler方程的自适应网格矢通量算法

给出了二维轴对称欧拉方程的自适应网格隐式矢通量分裂差分格式和模拟结果,隐式矢通量分裂格式不需人工粘性项与人工耗散项,可以计算跨声速流场,也可以较准确地捕获激波,利用流场解的梯度信息对网格进行调整,可以提高激波的捕获精度,算例表明,该方法精度高稳定性好,不依赖于初始条件。     

三维内外热耦合计算热气防冰系统表面温度

提出了一种三维内外强固传热耦合计算热气防冰系统表面温度的方法并进行算例计算.外部表面传热系数计算采用附面层积分方法,内部热气流动与换热采用CFD(计算流体动力学)方法,利用FLU-ENT的用户自定义函数UDFs(user-defined functions)实现蒙皮外表面热载荷计算及热流边界条件的自动加载,使迭代自动推进.对表面温度及外部热载荷进行亚松弛来稳定迭代计算,用强固传热耦合迭代来加快计算速度.所研究的三维热气防冰系统表面温度计算新方法可应用于防冰系统的热性能验证及系统优化.