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激波与火焰相互作用发展过程的数值模拟

作　者: 谷壮志
导　师: 施红辉；王超
学　校: 浙江理工大学
专　业: 流体机械与工程
关键词: 激波和火焰相互作用数值模拟爆燃转爆轰不稳定性
分类号: O381
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 42次
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内容摘要

本文主要研究激波与火焰相互作用过程中爆轰的产生问题,课题源于国家自然科学基金青年科学基金项目(10802077/A020403)——激波与火焰相互作用与爆燃转爆轰强化机制的数值模拟。本文分别对此进行了理论研究,模型建立,程序编制和数值模拟。理论研究部分介绍了对激波与火焰相互作用起重要作用的三种不稳定性现象和成因, Richtmyer-Meshkov不稳定性、Kelvin-Helmholtz不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性,尤其是R-M不稳定性。分析了斜压效应的产生以及它对涡量和R-M不稳定性的发展影响,推导说明了K-H和R-T联合不稳定性对流体界面失稳的影响,还介绍了界面不稳定性的五个发展阶段,着重讨论了界面不稳定的非线性发展阶段。计算模型是常温常压下,在一个无限长的激波管中,充满一定化学当量比的氢气和空气可燃混合气,在管道中轴线上有一个正在燃烧的球形火焰,管道左侧有一入射激波向右传播,当到达火焰面时,激波开始与火焰相互作用。文章还采用了在流场中加入小火焰和障碍物的计算模型。本文采用二维非定常带化学反应的Euler方程作为控制方程,详细氢氧9组分20步基元反应为化学反应模型,时空守恒方法为计算方法。利用FORTRAN语言编制计算程序,并在曙光PHPC100型高性能计算机上运行程序。通过对结果的研究,找出了爆轰形成关键参数:激波马赫数和火焰半径。马赫数为1.4不会发生爆轰现象;马赫数为2.0时,半径大的火焰可以产生爆轰。马赫数为2.3时,所有半径的火焰都可以产生爆轰。火焰半径决定了反向透射激波的形成和传播方向。能量聚集区和激波多重诱导区最容易产生爆轰。流场加入小火焰和障碍物增大了两种区域的产生机会,缩短爆轰形成的时间和空间跨度。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-15
  1.1 课题的背景及意义  9-10
  1.2 国外研究现状  10-13
  1.3 国内研究现状  13-14
  1.4 本文的主要工作和研究内容  14-15
第二章激波火焰相互作用的实验和理论研究  15-26
  2.1 激波火焰相互作用的实验研究  15-18
  2.2 激波火焰相互作用的理论研究  18-25
    2.2.1 Richtmyer-Meshkov 不稳定性对界面的影响  18-20
    2.2.2 Kelvin-Helmholtz 和Rayleigh-Taylor 不稳定性对界面的综合影响  20-23
    2.2.3 界面不稳定发展的几个阶段  23-25
  2.3 本章小结  25-26
第三章激波火焰相互作用的数学模型及数值方法  26-39
  3.1 控制方程  26-28
    3.1.1 Euler 方程  26-27
    3.1.2 组分的状态方程  27-28
  3.2 氢气-空气反应的化学动力学模型  28-31
    3.2.1 氢气-空气基元反应  28-29
    3.2.2 化学反应源项的计算  29-31
  3.3 数值方法  31-35
    3.3.1 化学反应刚性问题和时间分裂算法  31-32
    3.3.2 时空守恒法  32-35
      3.3.2.1 二维CE/SE 方法中求解元与守恒元的确定  33
      3.3.2.2 二维CE/SE 方法及雅可比矩阵  33-35
  3.4 程序验证  35-38
    3.4.1 一维爆轰计算  35-37
    3.4.2 激波管计算  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章计算结果及讨论  39-79
  4.1 计算模型的建立  39-40
    4.1.1 计算区域模型  39
    4.1.2 初始条件及边界条件  39-40
  4.2 激波与火焰相互作用的基本结构  40-42
  4.3 激波与火焰相互作用的影响因素  42-60
    4.3.1 入射激波马赫数Ms=1.4 的情况  42-46
    4.3.2 入射激波马赫数Ms=2.0 的情况  46-54
    4.3.3 入射激波马赫数Ms=2.3 的情况  54-60
  4.4 激波与大小两个火焰相互作用  60-69
    4.4.1 激波与同轴双火焰相互作用  60-63
    4.4.2 激波与不同轴双火焰相互作用  63-65
    4.4.3 激波与小火焰阵列相互作用  65-69
  4.5 带小障碍物激波管中的激波火焰相互作用  69-78
    4.5.1 流场中加入障碍物的程序实现  69-72
    4.5.2 流场中加入单个障碍物的情形  72-75
    4.5.3 流场中加入障碍物阵列的情形  75-78
  4.6 本章小结  78-79
第五章结论及展望  79-81
  5.1 结论  79-80
  5.2 特色与创新  80
  5.3 存在的问题和局限  80-81
参考文献  81-85
致谢  85-86
附录  86-88
攻读硕士学位期间发表的学术论文  88

激波与火焰相互作用发展过程的数值模拟

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