復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流場數(shù)值模擬的無網(wǎng)格方法及應(yīng)用.pdf

1、無網(wǎng)格方法由于其空間離散只依賴節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)云，無需將節(jié)點(diǎn)互連構(gòu)成網(wǎng)格，對于包含復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)或運(yùn)動(dòng)剛體的流動(dòng)問題具有傳統(tǒng)數(shù)值方法無法比擬的靈活性、優(yōu)越性。本文對復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流場數(shù)值模擬的無網(wǎng)格方法及應(yīng)用展開了研究。
　　首先，通過對邊界節(jié)點(diǎn)權(quán)重設(shè)置、理想推進(jìn)點(diǎn)位置及權(quán)重計(jì)算、最佳推進(jìn)點(diǎn)選取準(zhǔn)則等關(guān)鍵問題的研究，發(fā)展了一套帶權(quán)點(diǎn)填充布點(diǎn)方案，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)流場的均勻、非均勻布點(diǎn)，點(diǎn)云的構(gòu)建則在布點(diǎn)過程中同步完成。布點(diǎn)試驗(yàn)表明該方法布點(diǎn)效果

2、理想，并且具有良好的健壯性，為后續(xù)化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)的無網(wǎng)格數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。
　　然后，采用二維多組分Euler方程進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)建模，在當(dāng)?shù)攸c(diǎn)云離散的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最小二乘擬合逼近空間導(dǎo)數(shù)，引入多組分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和AUFS(Artificially Upstream Flux Vector Splitting)格式計(jì)算對流通量，并結(jié)合MUSCL方法對中心點(diǎn)和衛(wèi)星點(diǎn)間中點(diǎn)兩側(cè)的

3、流動(dòng)變量進(jìn)行重構(gòu)，以提高計(jì)算精度;對于化學(xué)反應(yīng)計(jì)算中的剛性問題，利用二階精度的Strang分裂方法處理，其中流動(dòng)方程運(yùn)用四階Runge-Kutta法顯式推進(jìn)，化學(xué)反應(yīng)微分方程采用有限速率反應(yīng)模型和隱式線性化方法求解，進(jìn)而建立了一套非平衡化學(xué)反應(yīng)流場數(shù)值模擬的無網(wǎng)格算法，并將其拓展到三維空間。通過激波誘導(dǎo)燃燒、斜劈誘導(dǎo)爆轟、胞格爆轟等標(biāo)準(zhǔn)算例，檢驗(yàn)了算法的可行性、準(zhǔn)確性。
　　隨后針對包含運(yùn)動(dòng)剛體的流動(dòng)問題，創(chuàng)建了待刪節(jié)點(diǎn)的判斷依據(jù)

4、，提出了重構(gòu)空腔的快速確定方法，并調(diào)用帶權(quán)點(diǎn)填充方法對空腔進(jìn)行布點(diǎn)，采用線性插值進(jìn)行新舊節(jié)點(diǎn)流動(dòng)參數(shù)的傳遞，實(shí)現(xiàn)了畸形點(diǎn)云的重構(gòu)。進(jìn)而基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式Euler方程，在前文研究的基礎(chǔ)上，建立了包含動(dòng)邊界非平衡化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)的無網(wǎng)格數(shù)值模擬算法。鑒于重構(gòu)過程一定程度上增加了計(jì)算量，為了進(jìn)一步擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模、提高計(jì)算效率，基于SPMD(Single-Program Multiple-D

5、ata)模型對上述算法進(jìn)行了并行化處理，其消息傳遞采用MPI(Message Passing Interface)。通過對圓柱繞流和7.62mm機(jī)槍理想發(fā)射過程的模擬驗(yàn)證了快速重構(gòu)方法的有效性。
　　最后，對復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)數(shù)值模擬的無網(wǎng)格算法在實(shí)際工程問題中的應(yīng)用能力進(jìn)行了檢驗(yàn)。對不同錐角、飛行速度時(shí)，彈丸誘導(dǎo)爆轟波流場進(jìn)行了數(shù)值模擬;對不含、含尾噴管時(shí)，脈沖爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)單循環(huán)過程內(nèi)外流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算;重點(diǎn)對12.7mm高射機(jī)槍