多尺度燃燒高效微觀算法研究.pdf

1、超聲速多尺度燃燒問(wèn)題中仍然存在著尚不明確的流動(dòng)和燃燒機(jī)理，物理化學(xué)耦合特征和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理給數(shù)值模擬帶來(lái)莫大的困難。
　　本文基于直接模擬蒙特卡洛（DSMC）方法在描述多尺度系統(tǒng)非平衡輸運(yùn)和強(qiáng)間斷性特征上的優(yōu)勢(shì)，以激波/湍流/燃燒相互作用機(jī)理研究為切入點(diǎn)開展多尺度燃燒的微觀算法研究，并在算法和機(jī)理研究方面均取得了創(chuàng)新性結(jié)果。算法研究方面，本文將傳統(tǒng)單振動(dòng)模態(tài)推廣至多振動(dòng)模態(tài)以滿足多原子分子的燃燒模擬，并發(fā)展了可服務(wù)于多尺

2、度復(fù)雜燃燒流動(dòng)問(wèn)題的DSMC-QK微觀算法，為多尺度燃燒的基礎(chǔ)理論研究提供算法支撐；激波/可燃渦相互作用機(jī)理研究方面，本文發(fā)現(xiàn)燃燒釋熱加強(qiáng)膨脹渦量產(chǎn)生卻未促進(jìn)凈渦量產(chǎn)生的新現(xiàn)象，其原因在于強(qiáng)烈的能量輸運(yùn)改變膨脹渦量輸運(yùn)方式的同時(shí)也促進(jìn)了流場(chǎng)的動(dòng)能耗散，這為激波/渦相互作用中的熱傳導(dǎo)和黏性作用機(jī)制研究提供新的見解。
　　本文圍繞創(chuàng)新點(diǎn)和研究目標(biāo)開展研究工作，主要研究工作內(nèi)容和相應(yīng)的結(jié)論可論述如下：
　　(1)發(fā)展適用于多尺度燃

3、燒問(wèn)題的高效微觀算法?；谖锢碚鎸?shí)的量子-動(dòng)理學(xué)（Q-K）方法，將單振動(dòng)模態(tài)推廣至多振動(dòng)模態(tài)的形式以滿足多原子分子的燃燒模擬，并發(fā)展了服務(wù)于多尺度復(fù)雜燃燒流動(dòng)問(wèn)題的DSMC-QK微觀算法，為多尺度燃燒問(wèn)題的基礎(chǔ)理論研究提供算法支持；
　　(2)多尺度復(fù)雜流動(dòng)燃燒問(wèn)題算法驗(yàn)證研究。高超聲速多尺度流動(dòng)燃燒中存在著復(fù)雜的激波/湍流/燃燒耦合問(wèn)題，鑒于此本文采用從解耦到耦合的思路對(duì)本文發(fā)展的微觀算法進(jìn)行驗(yàn)證研究。研究表明，本文發(fā)展的DSM

4、C-QK微觀算法能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)激波結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)平衡態(tài)以及激波/燃燒耦合特征；
　　(3)微尺寸激波/可燃渦相互作用機(jī)理研究。研究發(fā)現(xiàn)，僅在渦柱切向速度與激波運(yùn)動(dòng)速度相反的下半計(jì)算區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)渦擬能增加的現(xiàn)象，這意味著微尺寸下剪切引起的渦量在相互作用渦量產(chǎn)生機(jī)理中占主導(dǎo)作用?？紤]燃燒釋熱時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒過(guò)程增強(qiáng)了膨脹渦量的產(chǎn)生卻沒(méi)有促進(jìn)凈渦量的產(chǎn)生，進(jìn)一步研究表明其原因在于強(qiáng)熱傳導(dǎo)下的能量輸運(yùn)改變膨脹渦量輸運(yùn)方式的同時(shí)也加大了流場(chǎng)的動(dòng)能耗散，