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PDE外流场的数值模拟及其化学加速算法的研究

李伟  
【摘要】: 脉冲爆轰发动机是一种利用脉冲式的爆轰波来产生推力的新概念发动机,因为没有旋转部件,脉冲爆轰发动机较传统涡轮发动机具有结构简单、推重比大等优点。上世纪80年代以来,在脉冲爆轰发动机试验研究和数值模拟等方面取得了一系列重要成果,但是有关外流场动力学结构的研究报道并不多。因此研究多循环爆轰外流场的动力学结构有重要的学术价值和应用价值。 本文采用带基元化学反应的二维轴对称Euler方程,数值模拟了脉冲爆轰发动机出口形状对爆轰波泄出外流场结构的影响。其中使用波传播算法求解对流项,在求解化学反应项的过程中,为减少化学反应计算时间采用了动态存储/删除算法,并对本算法进行了改进,通过数值模拟结果的对比分析,得到了该算法的优化参数,并将其应用于不同出口形状的脉冲爆轰发动机爆轰外流场的数值模拟中。 对典型的爆轰外流场的动力学特征(如外流场中的涡环、悬吊激波、引导激波和波系特征等)进行了系统阐述,揭示了悬吊激波产生的机理。结果表明,爆轰波泄出爆轰管后,进入管外的惰性气体中,爆轰波很快衰减为无化学反应的激波。泄出过程还导致压力梯度和密度梯度方向的不一致,这些都使得流场在出口附近区域形成涡环,对流场而言,涡环如同具有敛散效应的流体喷管,并且,在出口处膨胀产生的Prandtl-Meyer流动,使该处的压力下降,为了调正这种与环境的压力差,于是,在外流场中形成止于涡环的悬吊激波。随着燃烧产物出口的流量的变化,流管的敛散角度也随之变化,从而导致悬吊激波形状和位置的变化。


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