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超燃冲压发动机整机非结构网格并行数值模拟研究

作　者: 王兰
导　师: 乐嘉陵
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 超燃冲压发动机 非结构网格 大规模并行计算 氢燃料 碳氢燃料 湍流模型
分类号: V235
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 835次
引　用: 12次
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内容摘要


超声速燃烧冲压发动机简称超燃冲压发动机(Scramjet),采用与机身一体化的设计,主要用在高空大气层内Ma>6飞行的吸气式高超声速飞行器上。超燃冲压发动机燃烧室内流场有超声速燃烧、激波与边界层相互作用等复杂现象。作为重要的研究手段之一,计算流体力学(CFD)能很快得到流场细节,尤其是在初始设计阶段,CFD能为发动机选型提供依据。然而,随着飞行器外形的复杂化,生成结构网格越来越困难,费时费力的网格生成成为了设计阶段的瓶颈。非结构网格节点间没有结构性限制,网格的大小和疏密很容易控制,一旦外形确定,可以快速地自动生成网格;另一方面,非结构网格随机的数据结构在进行网格自适应和并行处理时很方便。由于不像结构网格网格邻点是显而易见的,非结构网格必须将网格点的相关性等信息存储下来,因此更耗内存,一些数值算法如LU方法不能直接用于非结构网格CFD计算。现在许多在结构网格上发展成熟的方法逐渐成功地应用到非结构网格中,非结构网格技术广泛地用于各种流动的数值模拟,但国内还没有见到用自己开发的非结构网格计算软件并行求解超燃冲压发动机的复杂燃烧流场。本文围绕超燃冲压发动机反应流场的研究,在国内首次基于非结构网格发展了一套适用于超声速湍流反应流数值模拟的大规模并行计算CFD软件平台AHL_UNS3D。在对程序进行了大量的算例验证后,对超燃冲压发动机内部流场开展了细致深入的数值模拟研究。为了更准确地模拟超燃冲压发动机燃烧室内的湍流流场,壁面附近采用六面体网格或垂直于壁面“长出”的三棱柱“半结构”网格,其余地方采用四面体网格,金字塔形网格用来连接不同形状的网格单元。AHL_UNS3D基于MPI实现并行,采用格点有限体积法离散积分形式的控制方程,能够模拟完全气体和多组分混合气体的二维、轴对称、三维的定常和非定常的无粘流、层流和湍流。时间推进采用显式Runge-Kutta法或LU-SGS方法,无粘通量计算有Steger-Warming、Van Leer、AUSMDV和AUSMPW+四种格式。有多种氢气反应和碳氢燃料乙烯反应的化学动力学模型,有S-A一方程湍流模型和k-ω两方程湍流模型(包括原始的Wilcox k-ω、Kok TNT、Menter BSL和SST)等多种湍流模型,两方程模型可与流动控制方程耦合或解耦求解。采用14个定常流和2个非定常流算例考核AHL_UNS3D模拟无粘流、层流、湍流、多组分化学反应流动和非定常流动的能力,证明该软件平台具有较高的计算精度和可靠性。针对超燃冲压发动机燃烧室内流场的特点,选取了Lehr球头激波诱导燃烧、凹槽、压缩拐角和三维圆孔垂直喷氢等多种典型流动,通过和实验值的比较,选择了适合超燃冲压发动机反应流场的化学动力学模型、无粘通量的计算格式和湍流模型。为验证AHL_UNS3D对超燃冲压发动机化学反应流场的模拟能力,对经典验证例子,即Burrows & Kurkov的二维氢气顺喷的扩散和燃烧两种流动进行了数值模拟;接着对以氢气为燃料的澳大利亚昆士兰大学高超声速技术中心Hyshot计划的地面实验超燃冲压发动机、日本国家航空与航天实验室(NAL)的双模态燃烧室模型分别进行了二维和三维片式数值模拟,并应用到了气动中心的氢燃料超燃冲压发动机整机冷流和三种当量油气比的燃烧流场三维数值模拟中,最后模拟了半宽度Taha燃烧室无引导乙烯的反应流,分析了凹槽对乙烯点火及燃烧的作用。本文共分为七章。第一章为引言,简要介绍研究背景和超燃冲压发动机的国内外研究现状;介绍了非结构网格的特点、发展和国外超燃冲压发动机非结构网格数值模拟软件的功能及应用,并从七个方面与本文开发的软件AHL_UNS3D进行了比较;最后简要介绍了本文的主要工作。第二章为计算方法,主要介绍软件所用的数据结构和控制体、控制方程、湍流模型、方程离散方法、无粘通量计算格式和并行算法。第三章是算例验证,第四章、第五章和第六章是氢或碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室及整机数值模拟。第七章为结束语,阐述了论文的主要成果和创新点,并对软件未来的发展进行了展望。

全文目录


摘要  7-9
ABSTRACT  9-12
符号术语  12-14
第一章 引言  14-35
  1.1 研究背景  14-16
  1.2 国内外吸气式高超声速推进技术的研究现状  16-22
    1.2.1 俄罗斯  16-18
    1.2.2 美国  18-21
    1.2.3 澳大利亚  21-22
    1.2.4 法国  22
    1.2.5 国内研究现状  22
    1.2.6 其他国家  22
  1.3 超燃冲压发动机的非结构网格数值模拟软件  22-33
    1.3.1 非结构网格的特点和发展现状  23-24
    1.3.2 国外超燃冲压发动机非结构网格CFD 软件简介及其应用  24-27
    1.3.3 国内超燃冲压发动机非结构网格CFD 软件简介  27-30
    1.3.4 本文软件与国外同类非结构网格CFD 软件的比较  30-33
  1.4 本文的研究内容  33-35
第二章 计算方法  35-69
  2.1 控制方程  35-45
    2.1.1 非结构网格的数据结构和控制体  35-39
    2.1.2 流动控制方程  39-41
    2.1.3 热力学模型  41
    2.1.4 输运系数  41-43
    2.1.5 化学反应源项  43-44
    2.1.6 无量纲形式的流动控制方程  44-45
  2.2 湍流模型  45-49
    2.2.1 Spalart-Allmaras 一方程模型  45-46
    2.2.2 Wilcox k-ω和Kok TNT 两方程湍流模型  46-47
    2.2.3 Menter BSL 和SST 湍流模型  47-49
  2.3 方程的离散与计算格式  49-64
    2.3.1 有限体积法  49
    2.3.2 控制方程的离散  49-51
    2.3.3 时间迭代方法  51-53
    2.3.4 无粘通量的计算方法  53-60
    2.3.5 粘性通量的计算方法  60
    2.3.6 时间步长的求解  60-61
    2.3.7 边界条件  61-64
  2.4 并行算法  64-67
    2.4.1 并行计算机简介  64-65
    2.4.2 并行计算的编程模式  65-66
    2.4.3 区域分解方法  66-67
  2.5 本章小结  67-69
第三章 程序验证  69-115
  3.1 前言  69
  3.2 层流平板边界层求解  69-70
    3.2.1 M_∞=2.244 层流平板  69
    3.2.2 Re=1000 小雷诺数超声速平板绕流  69-70
  3.3 激波/层流边界层相互作用  70-71
  3.4 M_∞=2.244 湍流平板边界层求解  71
  3.5 二维压缩拐角流动  71-72
    3.5.1 Law 压缩拐角  71-72
    3.5.2 Settles 24°二维超声速压缩拐角  72
  3.6 二维超声速凹槽流动  72-74
  3.7 二维氮气横向喷流  74-75
  3.8 三维圆孔氢气横向喷流  75-76
  3.9 球头激波诱导燃烧的数值模拟  76-78
    3.9.1 算例1  77-78
    3.9.2 算例2  78
  3.10 二维燃烧室流动  78-79
  3.11 M_∞=6.0 进气道流动  79-81
  3.12 ONERA M6 机翼跨声速流动  81
  3.13 非定常流计算  81-83
  3.14 并行性能的实验  83-84
  3.15 本章小结  84-115
第四章 氢燃料超燃冲压发动机燃烧室数值模拟  115-135
  4.1 前言  115-116
    4.1.1 氢燃料化学当量比的定义  115-116
    4.1.2 氢燃料燃烧效率的定义  116
  4.2 计算方法  116
  4.3 模型及计算结果  116-122
    4.3.1 Burrows & Kurkov 的氢气顺喷算例  116-117
    4.3.2 Hyshot 超燃冲压发动机  117-120
    4.3.3 NAL 超燃冲压发动机模型  120-122
  4.4 本章小结  122-135
第五章 氢燃料超燃冲压发动机整机片式数值模拟  135-146
  5.1 前言  135
  5.2 计算方法  135
  5.3 计算模型和来流条件  135-136
  5.4 计算网格和边界条件  136
  5.5 计算结果及其分析  136-138
    5.5.1 冷流流场  136-137
    5.5.2 氢气反应流场  137-138
  5.6 本章小结  138-146
第六章 碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室数值模拟  146-155
  6.1 前言  146-147
    6.1.1 碳氢燃料化学当量比的定义  146-147
    6.1.2 碳氢燃料燃烧效率的定义  147
  6.2 模型及计算结果  147-150
    6.2.1 乙烯反应动力学模型的验证  147-148
    6.2.2 Taha 乙烯燃烧室  148-150
  6.3 本章小结  150-155
第七章 结束语  155-158
  7.1 论文的主要成果  155-156
  7.2 论文的主要创新点  156-157
  7.3 今后工作的展望  157-158
致谢  158-159
作者简历  159
博士期间发表论文的情况  159-160
附录1 论文中用到的化学动力学模型  160-163
附录2 最小二乘法  163-165
附录3 化学非平衡无粘通量JACOBIAN 矩阵  165-168
参考文献  168-177

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空发动机（推进系统） > 空气喷气式发动机
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