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碳氢燃料简化动力学模型和当地自适应建表方法在超燃并行计算中的应用

作　者: 肖保国
导　师: 乐嘉陵
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 力学、流体力学
关键词: 超燃冲压发动机并行计算当地自适应建表化学动力学碳氢燃料
分类号: V231.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

吸气式高超声速技术是研究飞行马赫数大于5、以吸气式发动机及其组合发动机为动力、在大气层和跨大气层中实现高超声速远程飞行的飞行器技术。吸气式高超声速技术的核心是超燃冲压发动机技术和机体/推进一体化飞行器技术。随着计算机技术的发展和数值计算方法的进步,数值方法在超燃冲压发动机燃烧室的设计研究过程中得到了越来越广泛的应用。计算流体力学与地面试验和飞行试验一起,已经成为超燃冲压发动机研究中的的三大研究手段,其作用日益显著。在碳氢燃料超燃冲压发动机数值模拟中,为了更准确的了解燃烧室中的燃烧细节和流场特性,充分研究某些重要组分对发动机性能的影响(比如发动机来流中污染组分的影响等),我们希望采用尽可能详细,能准确描述燃料点火燃烧特性的详细基元反应动力学模型。然而,碳氢燃料的详细化学动力学模型一般都过于复杂,往往包含上百个组分和上千个基元反应。在目前计算机技术发展水平下,如此庞大的化学动力学模型不可能直接应用到燃烧室三维的CFD计算中去。为了解决这一技术难题,本文开展三个方面的研究。一是从计算方法的角度入手,采用当地自适应建表(ISAT, In Situ Adaptive Tabulation)方法来加快对化学反应项的计算速度,提高计算效率。本文详细介绍了当地自适应建表方法的基本原理,以此为基础编制了相应的软件包DOS-ISAT(Data Operation Software Using In Situ Adaptive Tabulation),设计了一种新的数据并行方式,实现了并行的DOS-ISAT,并同时耦合到现有的MPI平台下的三维大规模并行计算软件AHL3D中。利用扩展的AHL3D软件,采用已有的煤油10组分12步总包反应模型,在我国SW MPP机器上利用1024个CPU对CARDC的煤油燃料的1米超燃冲压发动机模型进行了大规模的并行数值模拟,计算结果与试验结果进行了详细的对比分析,给出了发动机整机详细的三维流场结构,并对发动机进行了完整的性能分析。另一方面对数值模拟中所采用的燃料化学反应动力学模型入手,采用数学的方法对其详细化学反应动力学模型进行简化,得到一个计算量较小的简化化学反应动力学模型应用于数值模拟中。首先,在参考国内外的煤油反应动力学模型研究的基础上,本文建立了一个包含109组分和946个基元反应的煤油化学反应动力学模型。然后,采用已建立的化学动力学模型简化程序包SPARCK对该模型进行简化,得到了包含22组分18个总包反应的简化反应动力学模型。通过对煤油点火延迟时间的计算和一个大气压下煤油预混火焰的数值模拟验证了简化模型的准确性和有效性。第三个方面是采用上述建立的简化动力学模型和包含并行DOS-ISAT软件包的AHL3D软件平台,对实际的1米模型超燃冲压发动机进行了二维数值模拟,计算结果与试验结果进行了详细对比和分析,结果表明简化动力学模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃冲压发动机内部的复杂燃烧过程,该模型具有较高的准确性和实用性。另外,最重要的是整个计算流程也为煤油简化动力学模型在实际发动机数值模拟中的应用开辟了一条从研究方法到实际应用的可行性途径。本文共分为五章。第一章为引言,首先简要介绍了超燃冲压发动机的研究背景;介绍了碳氢燃料超燃冲压发动机数值模拟中存在的主要困难以及目前国内外的研究水平;回顾了国内外对煤油燃料化学动力学模型研究和碳氢燃料化学反应动力学模型的简化研究概况;然后介绍了国内外对当地自适应建表方法的研究进展和应用情况;最后介绍了本文的主要工作。第二章介绍了计算采用的控制方程以及物理、化学模型和数值方法,重点介绍了当地自适应建表方法的基本原理。编制了相应的并行软件包DOS-ISAT,并成功地将该软件包耦合到现有的MPI平台下的三维大规模并行计算软件AHL3D中。另外,用五个超声速燃烧算例对计算方法和计算程序进行了验证,将计算结果与试验结果进行了对比,对比结果表明当地自适应建表方法具有与直接积分方法相媲美的计算精度,计算结果是准确可靠的,与常规的直接积分方法相比,并行DOS-ISAT软件包能将化学反应项的整体计算速度提高2-3倍,对于计算效率的提高非常明显。而且,初步的计算结果表明,在并行计算环境下,我们建立的DOS-ISAT软件包也具有很好地并行效率。第三章对煤油燃料超燃发动机三维模型进行了大规模并行计算。利用包含并行DOS-ISAT软件包的AHL3D软件,采用已有的煤油10组分12步总包反应模型,在我国SW MPP机器上利用1024个CPU对CARDC的煤油燃料的1米超燃冲压发动机模型进行了大规模的并行并行计算。详细对比了对比了试验测量和计算得到的壁面压强分布,给出了发动机完整的性能分析和精细的流场结构。另外,计算结果也验证了并行DOS-ISAT软件包在大规模并行环境下的可行性,相比常规的直接积分方法,本软件包对化学反应部分的计算效率提高明显,能使计算化学反应部分的CPU时间减少一半左右。第四章介绍了煤油燃料化学反应动力学模型研究。首先,在参考国内外的煤油反应动力学模型研究的基础上,我们提出了一个由摩尔百分比分别为79%的癸烷、13%的三甲基环己烷、8%的乙基苯的煤油组分替代模型,建立了一个包含109组分和946个基元反应的煤油详细化学反应动力学模型。随后,采用已建立化学动力学模型简化程序包SPARCK对该模型进行简化,得到了包含22组分18个总包反应的简化反应动力学模型。最后,采用详细和简化动力学模型,开展了煤油点火延迟时间的计算并与实验结果的对比,验证了模型的有效性。开展了一个大气压下的煤油预混火焰数值模拟,计算结果与文献计算结果和实验结果进行了对比。从对比结果来看,本文简化模型的计算结果很好地反映出流场的燃烧特性,本文简化模型能够用来对煤油燃烧问题进行准确的数值模拟。另外,结合包含DOS-ISAT软件包的AHL3D软件平台,将获得的煤油简化动力学模型(22组分、18个总包反应)和已有的总包反应模型(10组分、12步反应)应用到实际的1米模型发动机二维数值模拟中,对比了两种模型的计算结果。从计算结果来看,简化动力学模型计算得到的壁面压强分布与试验测量结果的一致性较好,与总包反应模型相比,简化动力学模型在凹槽内得到的压强分布更接近试验结果,在壁面其它部分两种模型计算的压强分布基本一致。总体而言,简化动力学模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃冲压发动机内部的复杂燃烧现象,该模型具有较高的准确性和实用性。第五章为结束语。阐述了论文的主要成果和创新点,并对未来的工作进行了展望。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-12
第一章引言  12-23
  1.1 研究背景  12-14
  1.2 超燃冲压发动机数值模拟研究概况  14-16
  1.3 碳氢燃料化学动力学模型及其简化研究概况  16-19
    1.3.1 煤油化学动力学模型研究  16-17
    1.3.2 化学反应动力学模型的简化  17-19
  1.4 当地自适应建表方法应用研究  19-21
  1.5 本文的主要工作  21-23
第二章计算方法和算例验证  23-72
  2.1 控制方程  23-29
    2.1.1 直角坐标系下的控制方程  23-26
    2.1.2 化学反应源项  26
    2.1.3 热力学方程  26-27
    2.1.4 输运系数模型  27-29
  2.2 数值方法  29-33
    2.2.1 算子分裂格式  29-31
    2.2.2 有限体积法  31-33
  2.3 当地自适应建表方法  33-44
    2.3.1 引言  33-34
    2.3.2 基本原理  34
    2.3.3 取值过程和误差控制  34-37
    2.3.4 表数据库存储结构  37-40
    2.3.5 计算流程  40-41
    2.3.6 ISAT 方法在并行计算中的应用  41-44
  2.4 算例验证  44-57
    2.4.1 球头激波诱导燃烧的数值模拟  44-46
    2.4.2 Burrows & Kurkov 的氢气顺喷燃烧数值模拟  46-48
    2.4.3 高温富油燃气超声速燃烧数值模拟  48-50
    2.4.4 CARDC 1 米煤油发动机数值模拟  50-52
    2.4.5 CARDC 2 米煤油发动机数值模拟  52-57
  2.5 本章小结  57-72
第三章煤油燃料超燃冲压发动机数值模拟  72-84
  3.1 计算网格和数值方法  72-73
  3.2 计算结果和分析  73-77
    3.2.1 发动机计算结果分析  73-75
    3.2.2 ISAT 方法计算性能分析  75-77
  3.3 本章小结  77-84
第四章煤油化学反应动力学模型研究  84-110
  4.1 煤油物理特性  84-85
  4.2 煤油替代物和化学反应机理研究回顾  85-88
  4.3 国产航空煤油化学反应动力学模型研究  88-93
    4.3.1 详细动力学模型研究  89-91
    4.3.2 简化动力学模型研究  91-93
  4.4 煤油层流预混火焰数值模拟  93-95
  4.5 国产航空煤油动力学模型的初步应用  95-98
    4.5.1 点火延迟时间分析  95-96
    4.5.2 简化动力学模型在超燃冲压发动机中的应用  96-98
  4.6 本章小结  98-110
第五章结束语  110-114
  5.1 论文主要成果  110-112
  5.2 论文的主要创新点  112-113
  5.3 今后工作的展望  113-114
致谢  114-115
参考文献  115-124
附录 1 “准稳态”假设方法简介  124-127
附录 2 个人简历  127-128

碳氢燃料简化动力学模型和当地自适应建表方法在超燃并行计算中的应用

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