基于非结构网格的斜爆轰波流场数值模拟

摘要

本文采用非结构网格和基元反应模型，对二维斜爆轰波流场进行了数值模拟研究，建立了模拟高超声速化学反应非平衡流的数值方法，并进行了模拟二维斜爆轰波流场并行算法的研究。主要结果如下：(1)应用化学反应的详细机理，建立了适合多组分含有限速率化学反应流体流动的数学模型。基于非结构网格，构造了多组分化学反应非平衡流数值模拟的高精度有限体积TVD格式。对圆锥绕流和高速锥形实验弹丸诱导的斜爆轰波流场进行了数值模拟，获得了与实验照片相吻合的结果。(2)针对爆轰波流场数值模拟的单机资源不足、计算时间长等问题，研究了基于PC机的斜爆轰波流场数值模拟的网络并行计算方法。对圆锥绕流和高速实验弹丸诱导的斜爆轰波流场进行了并行模拟，有效地缩短了计算时间，扩展了计算规模，证明了该并行算法的合理性和实用性，为斜爆轰波流场数值模拟研究提供了新的手段。

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1.绪论

1.1本课题的背景

1.1.1化学反应非平衡流的数值模拟

1.1.2化学反应流场的并行计算

1.2本文的主要工作

2斜爆轰波流场数值模拟方法

2.1引言

2.2多组分化学反应流数学模型

2.2.1多组分反应系统的基本关系式

2.2.2有限速率化学反应的基本关系式

2.2.3多组分化学反应控制方程

2.2.4方程的无量纲化

2.3基于非结构网格的多组分有限体积方法

2.3.1非结构网格的剖分

2.3.2有限体积法的数学推导

2.3.3 TVD方法求解对流项

2.3.4控制体

2.3.5边界条件

2.3.6典型算例

2.4化学反应源项的计算

2.4.1多组分化学反应流的解耦方法

2.4.2有限速率化学反应源项的处理

2.4.3温度的处理

2.5小结

3斜爆轰波流场数值模拟结果

3.1引言

3.2 H2/AIR斜爆轰波流场计算结果

3.3 CH4/AIR斜爆轰波流场计算结果

3.4小结

4并行计算在斜爆轰波流场数值模拟中的应用

4.1引言

4.2并行环境与算法设计模型

4.3并行算法的实现

4.3.1 MPI的使用

4.3.2斜爆轰波流场数值模拟中的并行算法

4.4并行计算在斜爆轰波流场中的数值模拟结果

4.4.1弹丸诱导的斜激波流场并行计算结果

4.4.2 H2/AIR斜爆轰波流场并行计算结果

4.4.3 CH4/AIR斜爆轰波流场并行计算结果

4.5小结

结论

致谢

参考文献