刘宏灿[1]2004年在《反应流场中的化学热、动力学计算与应用》文中研究说明早在两个世纪以前，化学反应燃烧现象已经引起人们的兴趣及广泛的研究，随着二十世纪数值计算软、硬件的发展，化学反应燃烧数值模拟的理论、方法、技术及应用也得以蓬勃发展。本文主要研究了化学反应热力学、化学反应动力学应用于流场计算的方法，并采用非结构网格对含有非平衡化学反应的流场进行了数值模拟。 反应热力学主要是根据热力学第一定律和热力学第二定律及热力学的基本关系式，得到达到化学平衡时最终产物应满足的热力学关系，即封闭系统在达到平衡时系统的熵最大，将其应用到某些具体的条件，如等温等压条件下，系统的Gibbs自由能最小；等温等容条件下，系统的Helmholtz自由能最小。据此我们可以求解在特定条件下的平衡参数。本文通过热力学的化学平衡判据，建立了求解特定条件下的平衡参数的方法，并将该方法应用到CJ爆轰参数的求解中。 反应动力学的应用主要是根据化学反应的机理建立反应的控制方程组，本文根据现有的氢气与氧气、甲烷与氧气的基元反应模型，采用向后差分的方法计算了氢气与氧气、甲烷与氧气的反应过程，并且实现了反应热力学和反应动力学计算的相互验证。 最后，本文基于非结构网格及有限体积方法，将反应动力学应用到含有限速率化学反应流场的计算中，对流项采用Godunov方法求解，用HLLC近似Riemann解算器求解数值通量，扩散项同样采用有限体积的方法离散和求解，采用时间分裂法解决流动、化学反应和扩散的耦合问题，建立了以非结构网格为基础的含有多组分化学反应和扩散现象流场数值模拟方法，并且对爆轰流场以及扩散燃烧流场进行了数值模拟。
冯宇[2]2014年在《超临界碳氢燃料流动裂解耦合特性的数值研究》文中认为为避免额外携带冷却剂所带来的质量惩罚，碳氢燃料已作为一种冷却工质被应用于高超声速飞行器的再生冷却技术中。在冷却过程中，受到超临界压力下大温差范围内燃料物性的剧烈变化以及燃料在高温条件下的吸热型裂解反应的影响，流场与裂解反应耦合在一起共同影响燃料在冷却管道中的对流换热过程。这一复杂的耦合过程为研究超临界压力条件下燃料在管道内的流动换热特性带来了巨大困难。本文基于一维和多维计算模型，针对流场与裂解反应的耦合过程对燃料在管内的热沉分布的影响以及特殊结构下的局部流场对管道内对流换热过程的影响开展了如下几方面的研究工作：基于商用计算平台，以GDE-1发动机为研究对象，对冷却平板中的局部特殊冷却结构在Da数Ⅰ区域内流场分布进行了叁维数值模拟，从减小流动死区，降低下游通道内流量分配不均，合理分配燃料热沉的角度对特殊结构进行了优化。然后对比分析了对于亚临界区、跨临界区及超临界区中，在燃料物性剧烈变化影响下，局部特殊结构周围流场分布特点及下游通道流量分布特点。从而提出了局部特殊冷却结构在冷却平板中的最佳设计位置。基于热平衡管道能量法，考虑真实气体物性，建立了流动裂解耦合一维计算模型。然后基于碳氢燃料裂解传热实验系统对一维模型进行了可靠性验证。为量化流动与裂解间过程间的耦合效应，引入了邓克勒数（Da）。该数反映了流场中裂解反应过程对流场的依赖程度。基于一维计算模型所得到的Da数分布情况对沿程流场中的流动裂解耦合效应进行了量化分区，并分析了每个区域内的温度、流动、裂解率分布特点。最后通过对比分析每个区域内的Da数及热沉比分布特点，从流场与裂解耦合效应的角度提出了一种基于Da数控制化学热沉的方法，同时根据不同影响因素条件下Da数与化学热沉分布的变化特点进一步验证了该方法的有效性。针对碳氢燃料流动裂解耦合流场，利用预处理形式的控制方程，使用时间推进算法建立了基于非结构化网格的超临界低速化学反应流二维模型。模型中采用了TNT k-ω湍流模型，同时引入了真实气体物性算法。对流项采用了基于Venkatakrishnan二阶限制器的界面物理量高阶重构与预处理改进型AUSM+格式相结合的形式进行离散。然后在进行非结构化网格重排序的基础上使用LU-SGS隐式求解方法对离散方程进行全耦合形式求解。最后分别基于Hagen-Poiseuille流、平板边界层流及粘性方腔驱动流对基于预处理后的全耦合时间推进计算法方法在低速流计算中的适用性和可靠性进行了验证分析。基于碳氢燃料裂解传热实验及商用程序计算平台对二维碳氢燃料流动裂解耦合二维计算模型进行了可靠性验证。基于二维模型计算结果，对燃料在管道内的化学反应流场边界层结构进行了分析。同时基于Da数分布对径向的流动裂解耦合效应进行了进一步分区，并分析了每个区域内化学热沉分布特点，从而将基于Da数的化学热沉控制方法推广至二维流场。针对碳氢燃料化学反应流场中的径向热通量扩散与对流传质过程，对管道径向流场分布进行了详细的传热传质机理分析。基于该两种物理过程的作用特征时间讨论了径向热量扩散与传质过程对流动裂解耦合过程的影响，从而深入分析了化学反应流的多维流场结构。并基于以上机理对压力、流量及壁面热流影响下的流场结构、Da数及化学热沉分布进行了深入讨论。
田媛[3]2016年在《等离子体鞘套数值仿真及其与电磁波相互作用》文中研究表明自飞行历史上第一次达到高超声速,人类对高超声速飞行的研究便开始进入到不断的深入和发展之中。各种航空飞行器在再入过程中达到的高超声速,各航空大国积极投入研究的临近空间高超声速飞行器,在带来先进性的同时,也带来了不可忽视的问题。在高超声速飞行中产生的高温效应,使飞行器绕流流场中的气体产生了离解、电离等一系列化学反应,使流场形成一团电离气体,称为等离子体鞘套。等离子体鞘套与电磁波之间的相互作用对飞行器与地面的通讯以及雷达对飞行器的探测识别作用造成了不可小觑的影响。等离子体鞘套的存在甚至造成通讯黑障现象,对飞行任务的安全性乃至成功与否带来隐患。针对这一现象,研究者们从等离子体鞘套的流场分布特性入手,在等离子体鞘套的形成机理、组成结构以及数值仿真方法等方面进行了大量的研究工作,并在此基础上进行了大量的电磁波与等离子体鞘套相互作用的研究,以解决等离子体鞘套对高超声速飞行带来的种种问题。本文以有限体积方法为基础,建立基于多块近似结构网格的计算网格,通过求解积分形式的流体控制方程-纳维斯托克斯方程对飞行器绕流流场进行数值仿真,采用隐式LU-SGS时间推进方法进行叁维粘性流动计算,形成计算程序。程序中包含多种基于迎风方式的对流通量差分格式,以AUSM类格式为主,并通过Reminne问题将几种通量分裂差分格式进行对比分析。通过计算程序进行包覆飞行器流场的数值仿真模拟,将采用量热气体模型计算得到的流场与采用热化学非平衡计算得到的流场进行对比,总结两模型对流场仿真结果的影响。在以上有限体积计算流体力学方法的热完全气体流场仿真程序的基础上,引入热动力学模型和化学动力学模型,使其能够进行热非平衡、化学非平衡流场的数值仿真计算。采用双温度模型以及不同的七组元化学反应动力学模型,对热力学非平衡以及化学非平衡绕流流场进行求解,形成对高超声速热化学非平衡流场的计算程序,计算采用不同化学反应模型得到的流场分布并进行对比分析。通过现有文献中提供的计算和实验结果,验证了程序进行热动力学非平衡和化学非平衡流场计算的可行性和可靠性。进行电磁波与等离子体层相互作用分析,通过电磁波在等离子体层中传播的传输系数、反射系数和吸收系数对两者之间的相互作用进行描述。讨论等离子体层所具有的非均匀特性对电磁波传播的影响,以及存在外加磁场时电磁波在离子体层中的传播。以解决通讯黑障问题的为应用背景,将入射电磁波频率提高到太赫兹波段,为解决通讯中断问题提供理论参考。进行不同飞行场景下圆球绕流流体的计算,场景变化包括飞行马赫数以及飞行高度,分析比较等离子体鞘套随飞行高度和飞行马赫数的变化规律以及造成该变化的原因。得出不同飞行场景下的包覆球体等离子体气体的电子密度分布,计算相应的等离子体频率和等离子体碰撞频率。进行不同飞行场景下典型钝锥绕流流场的计算,飞行场景为RAM试验中飞行轨迹上的几个典型高度,得出电子密度以及相应的等离子体鞘套和碰撞频率,提取驻点线上流场特性进行介电系数转化,并计算驻点线上垂直入射电磁波的单程和双程传输。同时提取非驻点线上的流场特性参数进行介电系数转换,并计算电磁波再非驻点线上的传输。将通过不同传输路径得到的结果进行比较分析。
章思龙[4]2016年在《碳氢燃料超燃冲压发动机再生/膜复合冷却特性研究》文中认为吸气式高超声速飞行器由于燃烧释热和气动加热等原因,会面临非常严重的热防护问题。为保证其主要部件-超燃冲压发动机的可靠性和耐久性,通常需要依靠再生冷却以及膜冷却等主动冷却方式。在冷却过程中,除了利用燃料的显焓吸热之外,还可以利用吸热型碳氢燃料的热裂解化学反应吸热能力。值得注意的是,经过再生冷却过程的吸热型碳氢燃料仍然具有一定的隔热能力,未裂解或者未完全裂解的吸热型碳氢燃料还能提供一定的化学吸热。基于此,本文提出了吸热型碳氢燃料再生/膜复合冷却方案,以期进一步地扩展吸热型碳氢燃料的冷却能力,降低发动机冷却系统的负担。由于裂解反应的发生,吸热型碳氢燃料作为冷却剂的再生冷却和膜冷却过程是一个带有化学反应的流动换热过程,并且值得注意的是,带有裂解吸热反应的再生冷却过程是一个特殊的能量回收过程。因此,研究含有裂解吸热反应的再生及膜冷却的流动换热过程,并在此基础上研究超燃冲压发动机主动冷却系统设计参数对流动换热及能量回收过程的影响,对掌握带有化学反应的再生及膜冷却机理和结构参数影响规律有重要的意义。本文面向含有化学反应的碳氢燃料再生及膜冷却相关问题,开展了如下几个方面的工作:建立跨临界正癸烷高裂解率下化学反应流动换热数值模型,考虑了真实气体物性以及裂解反应。对所采用的物性计算方法进行了精度验证并对整体模型的可用精度和范围进行了验证,模型裂解率使用范围扩展至76%。在模型的基础上,初步分析了再生冷却通道内冷却剂速度、温度以及裂解反应之间的叁维耦合特性,发现在单面加热的超燃冲压发动机再生冷却通道内,热分层现象极其严重,它会引起裂解率的严重分层现象。针对再生冷却过程是能量回收过程的特点,研究了再生冷却通道内由于流场参数不均匀导致的物理热沉及化学热沉分层现象以及化学反应的发生对于热沉分层的影响,发现由于热分层和裂解率分布不均匀带来的物理热沉以及化学热沉分层现象极其严重,会对能量回收过程造成非常不利的影响。通过分析再生冷却系统热沉影响因素,发现通过尺寸参数优化,可以对热分层现象进行切实可行的控制,在非化学反应区,存在一个最佳通道高宽比,使得热沉分层最小,对能量回收过程最有利,而在化学反应区,则是通道高宽比越小,越能提高化学吸热量,减小热沉分层,对能量回收过程更有利。通过对再生冷却通道内的跨临界化学反应流动换热进行数值模拟,揭示了吸热型碳氢燃料在超燃冲压发动机再生冷却通道内存在除了跨临界传热恶化以外的高温区域严重热分层带来的传热恶化现象。这一特殊的传热恶化机制使得在再生冷却通道的非化学反应区,增大高宽比所带来的对换热的正面效应很快就被更为严重的热分层带来的传热恶化消除,冷却通道的最佳高宽比停留在较小的数值上。而压力以及燃料种类的改变造成的物性变化规律的改变会改变最佳高宽比的大小。在化学反应区,发现化学反应会通过吸热和裂解率分层特性对换热产生利弊双重影响,而增大高宽比会带来更严重的热分层,增大裂解率不均匀并减小裂解吸热,对换热的不利影响远大于肋效应的增强。因此,在化学反应区,高宽比越小,换热情况越好。总体来说,对于使用大分子碳氢燃料的超燃冲压发动机再生冷却系统来说,由于严重热分层带来的传热恶化以及化学反应的存在,不宜使用较大的高宽比。提出多效利用碳氢燃料冷却能力的再生/膜复合冷却方案,通过数值模拟和原理性实验验证,发现在燃烧室中,采用高温吸热型碳氢燃料作为冷却气时,可以有效的进行隔热,从而降低壁面温度。研究发现在气膜冷却过程中裂解反应对冷却具有双重作用,它既会吸热从而降低冷却膜温度,对冷却有利,也会通过扰动流场增强主流与冷却流的掺混,对冷却不利。化学反应所带来的利弊影响相互平衡最终决定了其对膜冷却效果的影响。气膜的注入马赫数以及气膜厚度的增加均会增强冷却效率,但是会使得化学反应所带来的有利影响减弱,不利影响增强。研究还发现,对于带有裂解吸热反应的气膜冷却来说,激波对气膜冷却的不利影响被大大减弱。
宋泽阳[5]2015年在《煤火氧化燃烧反应—流场—温度场耦合TGA实验与数值模拟》文中认为煤火是与采煤活动相伴相生的。我国是全球产煤量和耗煤量最大的国家,同时也是受煤火危害最严重的国家。随着经济快速发展,我国逐步进入后工业化时代,政府和社会对资源、环境、生态和生活质量提出了更高要求,这给传统粗放型、高污染的煤炭行业提出了新的挑战,也是煤炭行业转型的重要契机。但煤炭作为我国能源主体的地位不会改变。关于煤炭业对环境的负面效应,人们把目光集中在了散煤燃烧和火力发电站向大气环境排放的有害烟气,大幅增加了空气中PM2.5值,危害人们身体健康。却忽视了煤火对我国资源、环境、生态等造成的巨大危害。据统计,它每年烧毁了我国上千万吨的煤炭资源,排放出约57万吨的温室气体(CO2和CH4),约占全世界化石燃料CO2排放总量的0.1%~0.22%。此外,它还排放出大量的有毒有害气体(例如CO、SO2、H2S、NxO等),造成地表下沉塌陷,破坏当地的生态环境等。在目前倡导绿色生态、绿色环境的背景下,防治煤火是减少温室气体排放、保护煤炭资源和生态环境的重要内容,也是我国煤炭行业成功转型不可缺少的一环。我国煤火主要分布在内蒙古、新疆、宁夏、青海、山西、陕西、黑龙江等省份。国家、当地政府和企业投入了大量的经费用来扑灭煤火。经过10多年的努力,煤火扩张势态得到遏制,扑灭了不少重大煤火火区。但目前我国仍然存在很多煤火火区,形势依然严峻。这主要有叁点原因。第一,不科学的采煤方法;第二,煤火的复杂性,煤火是一种复杂的多场耦合(氧化燃烧反应、流场、温度场、力场、气固液耦合等)灾害;第叁,对煤火产生机理和防治技术的研究不充分。煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合是煤火多场耦合和煤火产生演化机理研究的重要内容,开展这方面的研究对理解认识和防治煤火具有重要意义。本文采用实验、理论推导、现场调研和数值模拟方法对煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合问题展开研究。首先,采用非等温TGA(Thermogravimetrical Apparatus,热重)实验,研究了小样本煤样氧化燃烧反应-流场-温度场耦合,具体而言,即在不同的升温速率下(温度场),氧气扩散传质(流场)对煤样氧化燃烧反应速率的影响作用。设计了3组不同的TGA实验,分别研究孔内扩散、粒间扩散和外部扩散对煤氧化燃烧反应速率的影响。第一组实验是将5种不同粒径(<74μm、86.5μm、111μm、160.5μm和550μm)的煤粒均匀平铺在Al2O3平板上;第二组是将最小粒径(<74μm)的不同质量(36 mg、44 mg和62 mg)煤样填入圆柱形坩埚(Al2O3材料),且通过增加Al2O3垫片材料,保证煤样上平面与坩埚口齐平,从而排除外部扩散影响;第叁组是将最小粒径(<74μm)的不同质量(36 mg和44 mg)煤样填入圆柱形坩埚,但不加Al2O3材料,煤样上平面与坩埚口留有1~1.5 mm距离。对两种煤样(分别采自河南能源化工集团常村矿(长焰煤)和新安矿煤样(贫瘦煤)),以2k/min、5k/min和10k/min升温速率,通入20ml/min的氧气和80ml/min的氮气,对以上3组实验的煤样进行加热和称重实验。采用有效性因子衡量扩散传质过程对煤氧化燃烧反应速率的限制程度。研究表明,孔内扩散和粒间扩散对煤氧化燃烧反应速率的限制作用显着。以5k/min升温速率和常村矿煤样为例,由于孔内扩散传质限制作用,550μm煤粒平均反应速率降至本真平均反应速率(不受扩散影响作用)的44%;在粒间扩散影响作用下,62mg-4.2mm粒间扩散距离的煤样的平均氧化燃烧反应速率降至本真平均反应速率的74.5%。然而,外部扩散对煤氧化燃烧反应速率的限制作用较小。升温速率、实验材料的导热性和煤样放热量等也会影响实验结果。因此,在煤样的放热量和实验材料的导热性已知的条件下,选择合适的升温速率对准确有效测量扩散传质影响煤氧化反应速率是十分重要的。基于新安矿煤样的非等温tga实验,运用活化能、席勒模量和反应模型分析了扩散传质影响下的反应体制类型。研究结果表明,煤氧化燃烧过程由于受到扩散传质的影响,它的反应体制类型基本属于反应-扩散体制类型。在tga实验研究、时间尺度和空气过量系数分析、多孔介质传热传质理论和krishnaswamy提出的单颗粒煤反应-扩散模型的基础上,推导了高温阶段煤火氧化燃烧反应速率的估算公式。该公式既包含了动力学反应速率(阿伦尼乌斯公式),还考虑了供氧过程的影响(粒径、氧气浓度差特征长度(类似于tga实验的粒间扩散距离)、扩散系数和有效性因子等,很好地体现了在动力学反应-扩散体制下煤氧化燃烧反应速率是动力学反应速率和供氧速率在温度影响作用下达到的一种平衡。对内蒙古乌达煤火火区(我国最大面积火区之一,全球研究最为充分的火区)和北京门头沟斋堂镇张家村边坡煤火进行了现场调研。在此基础上,总结了煤火温度场、流场和氧化燃烧反应的特征:①煤火产生的热量通过对流、导热和辐射向外部释放。其中以辐射和对流散热为主。对流散热主要是通过煤火产生的裂隙口排出的烟气,而热辐射是煤火遥感探测的主要依据。②煤火产生裂隙场一般包括裂缝、裂隙、排烟孔、排烟洞和海绵状微孔。外部空气和煤火产生的烟气通过这些裂隙分别进入燃烧中心和排放到大气。气体在裂隙场的这种循环,就形成了煤火的流场。此外,空气、烟气、水蒸气等在运输同时也伴随着热量的传递,即煤火的对流散热。裂隙场是煤火流场传热传质的主要载体。除此之外,废弃巷道漏风也是传热传质的途径,它对煤火产生和蔓延有着重要促进作用。煤火流场中气流运输方式包括叁种形式:对流、扩散和弥散,但以对流和扩散传质为主。流场中气体运输的动力包括浮力作用或火风压、外部风力、入口和出口高程差引起的大气压差、机械通风(如工作面漏风)和浓度差。③煤火化学反应最直接的地表特征包括烟气、析出矿物质和焦油。根据烟气、析出的矿物质和焦油可大致推断出地下煤层氧化燃烧的状态。剖析了煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合关系:(?),并建立了叁者耦合的数学模型。说明了COMSOL Multiphysics多场耦合解算软件在解算煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合问题上的优势,分析了COMSOL Multiphysics软件采用分离操作法解决煤火氧化燃烧反应-流场-温度场耦合问题的步骤。在现场调研和已有研究成果的基础上,建立了边坡煤火二维大尺寸、非稳态、非均质几何物理模型,定义了合理的边界条件和初始条件。该模型考虑了废弃巷道漏风、通风出入口大气压力差和煤火产生的特殊地下空间(如燃烧区、碎石区、垮落带和裂隙带等)在传热属性、孔隙率和渗透率等方面的非均质性。采用COMSOL Multiphysics软件,结合实验获得的输入参数(如动力学参数、导热系数、渗透率等),对边坡煤火进行了数值模拟。重点分析了废弃巷道漏风和大气压周期波动对煤火的影响。研究结果表明,废弃巷道漏风对煤火产生、发展和蔓延起到了重要的促进作用。因此,密闭废弃巷道,隔断其漏风供氧给地下煤火的通道,能较好地抑制和防止地下煤火。此外,当通风出入口大气压力差大于或近似等于大气压波动的幅度时,大气压波动也会促进地下煤火的发展和蔓延,影响裂隙口排出气体的流速和方向,这就是山区地下煤火裂隙口气流“呼”、“吸”效应产生的原因。通过对比分析废弃巷道漏风数值模拟结果和内蒙古乌达煤火调研结果,验证了多场耦合数值模拟结果和提出的高温阶段煤火氧化燃烧反应速率计算公式是有效的。对于大颗粒煤堆(如煤矸石),由于空隙大,气流速度快,大颗粒煤堆内部气流流动是非达西流,而是满足Brinkman定律。由于煤堆自燃是氧化反应-流场-温度场耦合作用下产生的。因此,煤堆内部气体流场发生变化会影响氧化反应速率和温度场,其自燃特点与细粉煤堆(达西流)存在很大差别。研究结果表明,只要风速不是很小(<0.001 m/s),风力驱动下的对流传热传质在煤堆自燃过程中起到了十分重要的作用。风速的增大既可以促进也可以抑制煤堆氧化反应速率和热浮力。具体的影响作用取决于煤堆内部供氧和散热的平衡关系。随着风速的增加,煤堆内部自然发火位置向风流下方向和煤堆上部方向迁移。
邓树升[6]2013年在《可变拓扑结构的非结构动网格生成技术研究及其应用》文中研究指明目前,大变形动边界问题仍然是计算流体力学(CFD)研究的重点之一。尽管传统的动网格生成方法已经可以满足大多数动边界问题的计算要求,但是在处理刚体的碰撞和断裂、液滴或气泡的破碎、弹丸出膛等一系列涉及计算域发生拓扑改变的问题时,常常无法对这些过程作出准确地描述。在课题组申请的国家自然科学基金项目支持下,本文结合弹簧方法和局部网格重新生成法,提出了可变拓扑结构的大变形非结构自适应动网格生成技术,利用C++语言开发了通用CFD软件包,并成功地应用于含可变形气固界面的非定常流动、含不互溶气液界面的可压缩多介质流动以及含运动边界的复杂化学反应流等问题的研究中。本文主要研究内容及成果如下：结合弹簧近似法和局部网格重新生成法,提出了一种含可变拓扑结构的大变形非结构自适应动网格生成技术。本文分别研究了Delaunay方法和阵面推进法两种非结构网格生成方法,同时利用模板方法对网格进行自适应,获得了很好的结果。此外,讨论了边界运动引起的网格畸变问题,采用弹簧近似法将边界扰动很好地传递到网格内部,采用局部网格重新生成法用高质量的网格代替严重变形的区域内的网格,发展了边界边剖分和合并技术优化边界结点的分布,提出了拓扑结构重构方法实现了刚体碰撞或断裂、气泡破碎或聚合等问题涉及到的动网格生成。在分别对刚性动边界的聚合和分裂过程、自由动边界的聚合和分裂过程的网格生成应用中,本文提出的可变拓扑结构的大变形非结构动网格生成技术表现出了良好的适应性。利用提出的可变拓扑结构的大变形非结构动网格生成技术,对含可变形气固界面流动问题的数值计算方法进行了研究、实现了可变拓扑结构大变形动网格生成技术在可压缩非定常流动以及爆炸安全评估等方面的应用。具体推导了ALE形式的流动控制方程,讨论了动网格的几何守恒律,采用四阶Runge-Kutta方法进行时间积分,采用拓展Godnov方法、空间向量方法构造空间二阶精度,采用HLLC方法计算控制体界面上的通量,将多体系统动力学与非定常流场计算相耦合。通过Riemann问题.Emery问题.活塞问题.缓慢压缩、激波与圆柱相互作用以及NACA0012机翼振动等算例验证了所发展的基于自适应非结构动网格的数值方法的正确性。本文成功地将提出的动网格技术及数值方法应用于对高压容器泄漏、受限空间内爆炸场的模拟(二维和叁维)等含可变形气固界面流场的模拟中,并对爆炸场的安全评估方法进行了分析。研究了含表面张力的可压缩多介质Riemann司题的求解方法；实现了多介质界面的追踪；将多介质问流动题转化为介质界面两侧的单介质问题,分别应用大变形动网格技术与ALE算法对独立的单介质流动问题进行数值计算。基于含表面张力等外力影响的不互溶多介质界面是一种典型的间断,满足Rankine-Hugoniot关系的事实,描述界面的网格可视为Lagrange界面。本文在研究了刚性气体方程下多介质Riemann问题的解析解以及一般形式状态方程下的近似Riemann求解方法后,对含表面张力的可压缩多介质Riemann问题求解方法进行了研究,得出了刚性气体状态方程及一般形式状态方程下多介质Riemann问题的求解方法,提高了介质界面的追踪精度。利用改进型虚拟流体方法的思想,改进了原始ALE介质界面追踪方法,有效地抑制了介质界面的数值振荡。原始ALE介质界面追踪方法只要满足界面处压力和法向速度连续即可,而多介质Riemann问题在很大程度上会受到介质热动力特性的影响。同时,界面处动力学特征主要由介质的物理特性决定。本文利用改进型虚拟流体方法,在多介质Riemann解的基础上考虑介质界面处的等熵条件,构造介质界面两侧的虚拟点,有效地抑制了界面压力的振荡,以保证转化后的单介质问题的解与原多介质问题的解保持一致。利用可变拓扑结构的大变形动网格技术,拓展了原始ALE方法在多介质流动中的应用范围,对激波诱导氦气泡破碎以及水下冲击波诱导气泡破碎问题进行了真实模拟。虽然ALE方法能准确地描述界面的运动,但是在界面发生扭曲、聚合以及断裂等情况时,常常受限于网格无法进行计算。本文利用提出的可变拓扑结构的大变形动网格技术及可压缩多介质流动数值方法,精确地追踪了气泡的变形过程,实现了气泡破碎前后的网格重构,成功地对气泡破碎后的流场变化及气泡持续发展过程进行了计算。在对水中冲击波诱导气泡破碎问题计算中发现了气泡破碎后的二次射流及二次破碎过程,这与文献中实验观察到的现象吻合。利用可变拓扑结构的大变形动网格技术,对含动边界的复杂化学反应流数值计算方法进行了研究。具体研究了多组分有限速率化学反应计算模型及数值方法,拓展了多组分系统化学反应流的ALE控制方程,采用时间分裂法将流动、扩散以及化学反应过程进行解耦处理。对爆轰波在平面楔面上反射、高速飞行弹丸诱导爆轰波、火药气体推进弹丸出膛及膛口流场发展、底部排气减阻等问题进行了数值模拟,均取得了较好的结果。
李先锋[7]2007年在《动态存储/删除算法在激波聚焦中的应用》文中研究表明在爆燃或爆轰过程的数值模拟中，包含了多组分的化学反应过程。需将具有大量网格的计算流体力学模型(CFD)与包括多组分的详细反应动力学模型耦合，对化学反应过程进行求解。但是，由于反应速率方程是一个强刚性非线性的常微分方程组，计算时间很长，有的甚至远远超过了目前计算机的计算能力，因此采用切实可行，而又不失计算精度的计算方法是解决此类问题的关键之一，本文针对这个问题进行深入研究。为减少流场中化学反应计算时间，本文在对各种现有可行的方法进行分析比较后，认为动态自适应建表方法(In Situ Adaptive Tabulation，ISAT)以很高的存储／提取效率、误差的可控性在众多的方法中显示出较大的优越性。为了能够将它推广到其它反应流场的计算中，本文在ISAT方法基础上进行改进，提出动态存储／删除算法。并将其用于可燃气体中激波聚焦引发爆燃和爆轰的二维瞬态数值模拟。所得出的计算结果表明，在控制一定容差的条件下，动态存储／删除算法与直接积分计算结果吻合很好，具有很高的计算精度；此外，该方法不仅节省了大量CPU计算时间，而且计算过程中不占用过多的计算机内存，因而具有很高的计算效率。本文提出的动态存储／删除算法不依赖于物理问题本身，具有很好的移植性，在多维瞬态反应流的数值模拟中显示了很好的优越性。
刘金武[8]2007年在《HSDI柴油机雾化与排放特性瞬态多维建模和数值研究》文中提出面对日益严峻的能源短缺和环境污染问题,本文旨在研制用于内燃机设计和研究的计算机仿真优化工具,探索内燃机节能和降低有害排放的理论和方法。在网格算法、多维建模、CAE/CAD集成化、燃油雾化以及排放等5方面进行了研究。首先,提出了内燃机缸内复杂空间动态网格的生成算法,研制了用于多维模型的前处理器。提出将缸内网格划分成动态区和静态区,分别进行网格计算的方案;对动态区的网格提出运动方向的网格增减方法;对于垂直气门,采用气缸截面网格的插入方法;对于斜置气门,采取动态网格的漂移计算等方法。第二,改进内燃机KIVA仿真软件代码,进一步耦合柴油机缸内多种物理和化学子模型,构建内燃机工作过程分析的多维模型。提出双精度算法,创建基于PC计算机硬件的柴油机缸内工作过程多维模型分析仿真平台:ICFD-CN。实验表明:多维模型能够模拟缸内压力、缸内放热率和燃油消耗率,其变化趋势与实验吻合较好,数值误差小。在模拟缸内NOx和SOOT排放时,其变化趋势与实验吻合较好。第叁,通过采用缸内性能等值线和深度缓存消影算法,提出基于内容、时间和空间3因素的多维模型计算结果提取和传递方法,提出CAE/CAD集成化数据传递的重要图形文件的设计方法,原创多维模型后处理可视化模块代码,设计图形文件无限和有限命名方法,研制了内燃机多维模型仿真可视化系统,实现了HSDI柴油机工作过程多维模型分析CAE/CAD集成化。此外,提出了采用多维模型工具研究柴油机雾化和排放的方法。分析HSDI柴油机的雾化特性,获得了1137型柴油机燃烧时喷射燃油不同状态的时空分布规律,建立了1137型柴油机雾化特性与燃烧、排放以及柴油机经济性和动力性的联系。最后,获得了1137型柴油机NOx和SOOT排放特性,给出了1137型柴油机NOx和SOOT排放随时间和空间的变化规律、SOOT的生成和氧化历程,获得了大量设计参数对于NOx和SOOT排放特性的影响规律。总之,本文的网格算法研究结果解决了CAE分析中关键的网格计算和耦合问题,在内燃机CAE分析和其他的数值计算应用领域都具有重要参考价值。多维建模研究结果对于内燃机设计和研究手段的现代化,对于我国节能和环保事业都是重要的科学支持。此外,对于计算机仿真、数值分析和计算流体动力学等学科走向应用也具有一定推动作用。CAE/CAD集成化研究结果不仅是HSDI柴油机的CAE分析的重要技术支持,而且对于其他内燃机和其他工程领域的CAE技术、计算机应用的发展具有参考价值。燃油雾化和排放研究结果不仅为提高柴油机燃油经济性和满足排放法规要求提供了策略和研究方法,而且还对于其他排放物、其他燃料内燃机的雾化和排放研究同样具有重要作用。尤其是特殊工况下的雾化和排放研究更能体现其价值,运用它会大大地减少试验设备投资,节约试验成本。
李象远[9]2017年在《燃烧反应机理在发动机燃烧数值模拟中的应用》文中研究指明燃料燃烧反应是发动机的核心过程。化学反应的精确控制和高效利用是发动机研发的重要环节。目前,流动控制方程的输运性质求解理论和方法已经成熟,数值模拟可获得高精度的非反应流场结构。然而,人类对燃烧反应的认识还非常肤浅。燃烧反应中存在大量瞬态物种,化学反应速率和热力学性质不能通过实验获得,只能依赖于理论计算。因此,详细的链反应网络、高精度的反应热、动力学参数和宽工况适用的复杂燃烧反应机理,成了燃烧数值模拟结果可靠性的决定因素。燃烧反应动力学建模实际上是发动机燃烧数值模拟的瓶颈问题。一个合理的燃烧反应动力学模型,需要复杂化学反应网络和反应类型生成软件、燃烧反应数据库、燃烧中间产物化学识别、机理可靠性实验验证等作为支撑。化学反应发生在分子尺度和纳秒量级,为降低数值模拟过程中的时空尺度跨度和计算资源消耗,国际上流行的商业软件中的燃烧动力学模型多采用单步或总包机理,甚至是忽略反应速率的火焰面模型。这些模型实际上只能适用于热力平衡计算,复杂的动力学信息基本上得不到体现,数值模拟精确度低,预测误差大,虽然能实现流动数值模拟,但无法描述着火、熄火、火焰传播和燃烧不稳定性等关键现象,因而难以获得发动机性能包线、着火极限、熄火极限、再点火极限、燃烧效率和发动机高效稳定燃烧所需要的几何特征等参数,限制了数值模拟系统对发动机研制过程的支撑作用。中国化学会燃烧化学会的成立,是我国发动机等工程燃烧中的化学问题成了化学家的份内事。本文以燃烧反应动力学为核心,阐述发动机燃烧数值模拟中存在的若干问题以及可能的解决途径,以及高精度的燃烧数值模拟存在的问题。
王新[10]2012年在《瓦斯浓度对爆炸传播及瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的影响研究》文中指出运用理论分析、实验研究和数值仿真的方法对在不同浓度条件下的瓦斯爆炸压力、火焰传播规律以及瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸规律进行了系统深入的研究。在对瓦斯煤尘爆炸的传播过程进行理论分析的基础上,运用中煤科工集团重庆研究院直径700mm的实验管道及断面7.2m2的大型实验巷道分别实验研究了不同浓度条件瓦斯爆炸传播规律的变化及瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸的过程,在此基础上借助流体模拟软件对其进行了模拟验证分析。通过瓦斯爆炸传播过程的研究得出,瓦斯爆炸过程中点火处的最大压力值并不是整个爆炸过程的最大值,冲击波最大压力在点火处附近先降低,然后上升到某一峰值后再逐步衰减。瓦斯浓度的改变对爆炸过程中压力和火焰的传播规律有明显影响,当测定点距离一定时,压力峰值与浓度呈现二次函数关系,火焰传播速度的倒数与浓度呈现二次函数关系；点火附近火焰传播速度较小,上升到某一峰值后又衰减。通过研究认为,激波及波后气体的湍流效应是引起沉积煤尘扬起的主要因素。煤尘颗粒的表面剪切力在其上扬过程中维持在某一阈值,所以沉积的煤尘颗粒可以维持在一定的速度范围内向上扬起。通过对煤尘颗粒速度场数值模拟的分析,发现沉积煤尘的扬起过程主要由启动、加速和减速叁个阶段组成。有煤尘参与的混合爆炸相对于单纯瓦斯爆炸,其爆炸产生的冲击波及火焰锋面不易衰减,传播速度更快,持续时间更长,压力峰值更高,波及范围更广；在瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的起始阶段,爆炸产生的正压区持续时间更长,并且爆炸压力在较长时间内产生持续的回升现象,破坏性更大；最大爆炸压力的出现时间并非沿着管道传播距离的加长而依次后延,也并非随最大爆炸压力的大小依次出现。瓦斯爆炸游到沉积煤尘爆炸的过程分为单纯瓦斯起爆阶段、沉积煤尘卷扬参与爆炸阶段(即瓦斯爆炸产生的冲击波与沉积煤尘作用、沉积煤尘卷扬起并被与瓦斯爆炸的火焰波引爆阶段)、瓦斯煤尘混合爆炸传播阶段和爆炸衰减等四个阶段。根据研究得出,在起爆阶段压力峰值出现时间最早,煤尘卷扬参与爆炸阶段压力峰值出现时间远远晚于瓦斯煤尘混合爆炸传播阶段,这是由于沉积煤尘卷扬参与爆炸的特点决定的,瓦斯煤尘爆炸传播衰减阶段压力值的出现的时间最晚。研究得到的这些结论,对有效防治煤矿爆炸灾害防治、降低爆炸灾害所造成的损失以及煤矿瓦斯煤尘爆炸事故的分析调查具有重要意义。
参考文献：
[1]. 反应流场中的化学热、动力学计算与应用[D]. 刘宏灿. 南京理工大学. 2004
[2]. 超临界碳氢燃料流动裂解耦合特性的数值研究[D]. 冯宇. 哈尔滨工业大学. 2014
[3]. 等离子体鞘套数值仿真及其与电磁波相互作用[D]. 田媛. 西安电子科技大学. 2016
[4]. 碳氢燃料超燃冲压发动机再生/膜复合冷却特性研究[D]. 章思龙. 哈尔滨工业大学. 2016
[5]. 煤火氧化燃烧反应—流场—温度场耦合TGA实验与数值模拟[D]. 宋泽阳. 中国矿业大学(北京). 2015
[6]. 可变拓扑结构的非结构动网格生成技术研究及其应用[D]. 邓树升. 南京理工大学. 2013
[7]. 动态存储/删除算法在激波聚焦中的应用[D]. 李先锋. 南京理工大学. 2007
[8]. HSDI柴油机雾化与排放特性瞬态多维建模和数值研究[D]. 刘金武. 湖南大学. 2007
[9]. 燃烧反应机理在发动机燃烧数值模拟中的应用[C]. 李象远. 中国化学会第二届全国燃烧化学学术会议论文集. 2017
[10]. 瓦斯浓度对爆炸传播及瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的影响研究[D]. 王新. 东北大学. 2012