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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

王兰  
【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Ma6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。


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