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脉冲爆震发动机进气道内流场和爆震燃烧的数值研究

作　者: 王丁喜
导　师: 严传俊
学　校: 西北工业大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 矢通量分裂 N-S方程算子分裂法交替方向迭代对角化结尾正激波扰动压力爆震燃烧三波点胞格
分类号: V439
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 404次
引　用: 5次
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内容摘要

作为一种新概念推进系统,脉冲爆震发动机在理论上具有很多常规发动机无法比拟的优越性。最近几十年来,在世界各国掀起了脉冲爆震发动机研究的热潮。有关脉冲爆震发动机的原理和应用研究在世界各国进行得如火如荼。本文采用数值计算的手段,基于计算流体力学开放源代码DUNS,对脉冲爆震发动机某进气道的内流场和爆震燃烧进行了研究。本文首先介绍了计算流体力学开放源代码DUNS和脉冲爆震发动机进气道与爆震燃烧研究的现状(第一章)。接下来详细阐述了DUNS的内置的算法(第二章),解决了DUNS在不同操作系统平台(Windows和Linux)下实际应用过程中存在的一系列问题并扩展了DUNS的一些辅助功能(附录Ⅱ)。在此基础上,本文利用DUNS进行了如下两方面与脉冲爆震发动机相关的流场的数值模拟。首先利用DUNS对脉冲爆震发动机的某一轴对称超音速进气道的内流场进行了较为详细的数值模拟,分析了进气道出口处的不同幅度和频率的扰动压力等不同出口条件对进气道内结尾正激波运动情况的影响(第三章)。接下来,采用并行计算和详细化学反应机理对氩气稀释的化学恰当比混合的H2/O2混合物(氩气体积分数为70%)在初始温度和压力分别为298K和6670Pa条件下的爆震燃烧流场进行了非常详细的数值模拟;获得了爆震燃烧流场独特和规则的流场结构;并对爆震燃烧流场中的三波点结构的形成、特点和相互作用以及稳定自持的爆震燃烧的建立过程进行了详细和深入的分析;得出了与他人的计算和实验结果非常吻合的结论(第四章)。最后本文对研究工作进行了总结,提出了研究工作中存在的局限性和展望(第五章)。

全文目录

目录  2-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-13
  1.1 DUNS的简单介绍  10-11
  1.2 脉冲爆震发动机进气道和爆震燃烧的研究现状  11-12
  1.3 本文研究工作的主要内容  12
  1.4 毕业论文更名说明  12-13
第二章数值计算方法  13-34
  2.1 笛卡尔坐标系下的二维N-S方程组  13-16
  2.2 广义坐标系下的二维N-S方程组  16-20
  2.3 预处理法和双时间步法  20-21
  2.4 算子分裂法  21-23
    2.4.1 相容分裂法(consistent splitting)  21-22
    2.4.2 Strang-splitting方法  22-23
  2.5 控制方程组的空间离散  23-26
  2.6 控制方程组的时间离散、近似因子分解、对角化和求解步骤  26-31
    2.6.1 Crank-Nicholson半隐离散  26-27
    2.6.2 近似因子分解  27-28
    2.6.3 对角化  28-29
    2.6.4 求解步骤  29-30
    2.6.5 对粘性的考虑  30-31
    2.6.6 对非化学反应源项的考虑  31
  2.7 边界条件的处理  31
  2.8 并行计算  31-34
第三章脉冲爆震发动机超音速进气道内流场的数值研究  34-43
  3.1 引言  34
  3.2 计算方法  34-35
    3.2.1 网格的生成  34-35
    3.2.2 控制方程和湍流模型  35
    3.2.3 边界条件的处理  35
    3.2.4 流场的初始化  35
  3.3 计算结果与分析  35-41
    3.3.1 算例验证  35-37
    3.3.2 不同频率和振幅的正弦扰动压力对进气道内结尾正激波运动的影响  37-40
    3.3.3 某实测爆震波压力扰动对进气道内结尾正激波运动的影响  40
    3.3.4 进气道出口进行堵塞时进气道内结尾正激波的运动情况  40-41
  3.4 结论  41-43
第四章爆震燃烧数值模拟  43-85
  4.1 引言  43-44
  4.2 零维计算与分析  44-48
  4.3 一维计算  48-55
    4.3.1 计算区域和网格  48
    4.3.2 初始条件和边界条件  48
    4.3.3 计算结果与分析  48-55
      4.3.3.1 网格步长对计算结果的影响  48-51
      4.3.3.2 爆震燃烧波的纵向结构(ZND结构)  51-52
      4.3.3.3 一维爆震燃烧波在爆震管内的传播情况  52-55
  4.4 二维计算  55-83
    4.4.1 计算网格  55-56
    4.4.2 控制方程  56
    4.4.3 边界条件  56-57
    4.4.4 流场的初始化  57
    4.4.5 计算结果与分析  57-83
      4.4.5.1 网格步长对计算结果的影响  57-60
      4.4.5.2 爆震燃烧波速度的确定  60-61
      4.4.5.3 三波点的结构  61-64
      4.4.5.4 三波点的碰撞过程和涡量的产生  64-72
      4.4.5.5 爆震燃烧胞格  72-74
      4.4.5.6 计算域宽度对胞格尺寸的影响  74-75
      4.4.5.7 稳定自持爆震燃烧波的形成过程  75-83
      4.4.5.8 三波点的合并  83
  4.5 小结  83-85
第五章全文总结  85-87
  6.1 主要研究结论  85
  6.2 本文的创新与特色  85-86
  6.3 研究工作的展望  86-87
参考文献  87-90
附录Ⅰ 相关公式/表达式推导  90-94
附录Ⅱ DUNS存在的一些问题和处理方法  94-101
附录Ⅲ DUNS源代码相关  101-113
  A3.1 DUNS的主要子函数清单  101-103
  A3.2 DUNS的主要全局变量清单  103-104
  A3.3 parameters文件内各项常量的物理意义及其设置  104-107
  A3.4 solution block的物理意义和组装  107-109
  A3.5 网格拓扑文件的书写规则和范例  109-113
附录Ⅳ H2/02/AR混合物详细化学反应机理  113-115
在学期间发表的论文  115-116
致谢  116-117

脉冲爆震发动机进气道内流场和爆震燃烧的数值研究

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