非定常复杂流动及波系干扰的实验和数值研究

摘要

本文研究的是，以非定常复杂波系干扰为主要特征，以能量有效利用为背景的两个问题。一个是脉冲爆轰发动机喷管中非定常爆轰波传播问题；另一个是与龙卷风灾害控制直接相关的爆炸波-旋涡相互作用问题。 本文主要工作包括：第一，发展二维/三维非结构自适应有限体积程序，并引入基元化学反应模型对爆轰波化学反应进行数值模拟，从而为在复杂边界条件下的激波、爆炸波、爆轰波研究提供了有力的工具；第二、搭建双曝光全息干涉实验系统，采用自行研制高能点火器实现爆轰点火、爆炸波形成并采用精确延时器实现同步，成功模拟爆轰波、柱面爆炸波以及复杂的非定常波系相互作用流动并获得相应的测量结果；第三、通过双曝光全息实验和数值模拟相结合方法对爆轰波在复杂喷管中流场结构、爆炸波旋涡相互作用流场演化、激波与复杂三维物体相互作用等复杂现象进行了研究。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第1章绪论

1.1总体概述

1.2研究背景

1.3脉冲爆轰发动机的国内外研究进展

1.3.1爆轰波研究的历史与现状

1.3.2脉冲爆轰发动机研究的历史与现状

1.4爆炸波与漩涡相互作用研究的历史与现状

1.5本文主要研究工作

第2章非结构自适应有限体积程序

2.1引言

2.2主控方程

2.2.1热力学参数

2.2.2粘性、传热系数

2.2.3化学反应源项

2.2.4控制方程无量纲化

2.3非结构有限体积方法

2.3.1控制元

2.3.2数值流通量

2.3.3重构

2.3.4时间离散

2.3.5物理梯度计算

2.3.6单调限制器

2.3.7边界条件处理

2.3.8 CFL条件

2.3.9网格自适应(Adaptive Mesh Refinement简称AMR)

2.3.10分裂时间步方法

2.4程序实现

2.4.1数据结构

2.4.2自适应操作

2.4.3程序流程图

2.5并行处理

2.6具体算例验证

2.6.1激波通过二维圆柱

2.6.2激波通过三维斜圆柱

2.7本章小结

第3章实验原理与测量技术

3.1引言

3.2激光全息干涉测量流场的原理和应用

3.2.1双曝光全息干涉光路系统

3.2.2全息干涉光学原理

3.2.3数值全息图的制作原理

3.3双曝光全息干涉实验系统

3.3.1激波捕捉系统

3.3.2爆轰实验装置

3.3.3激波实验装置

3.3.4爆炸波实验装置

3.4实验结果

3.4.1爆轰实验结果

3.4.2激波实验结果

3.4.3爆炸波实验结果

3.5本章小结

第4章脉冲爆轰发动机喷管流动的实验和数值研究

4.1脉冲爆轰发动机概述

4.1.1脉冲爆轰发动机运行过程

4.1.2点火与爆轰形成问题

4.1.3喷管对脉冲爆轰发动机的影响

4.2单次脉冲爆轰过程数值模拟

4.3爆轰波在锥形喷管内传播现象研究

4.4爆轰波在二维扩张喷管中传播的实验和数值研究

4.5本章小结

第5章爆炸波-漩涡相互作用

5.1引言

5.2爆炸波与漩涡相互作用实验装置

5.3激波绕射产生漩涡流场

5.4爆炸波与漩涡相互作用研究

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1本文的主要结论

6.2论文的特点和创新

6.3论文的工作展望

参考文献

附录A

致谢

攻读博士学位期间的论文发表情况