多尺度燃燒高效微觀算法研究.pdf

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

2、度復雜燃燒流動問題的DSMC-QK微觀算法，為多尺度燃燒的基礎理論研究提供算法支撐；激波/可燃渦相互作用機理研究方面，本文發(fā)現(xiàn)燃燒釋熱加強膨脹渦量產(chǎn)生卻未促進凈渦量產(chǎn)生的新現(xiàn)象，其原因在于強烈的能量輸運改變膨脹渦量輸運方式的同時也促進了流場的動能耗散，這為激波/渦相互作用中的熱傳導和黏性作用機制研究提供新的見解。
　　本文圍繞創(chuàng)新點和研究目標開展研究工作，主要研究工作內(nèi)容和相應的結論可論述如下：
　　(1)發(fā)展適用于多尺度燃

3、燒問題的高效微觀算法。基于物理真實的量子-動理學（Q-K）方法，將單振動模態(tài)推廣至多振動模態(tài)的形式以滿足多原子分子的燃燒模擬，并發(fā)展了服務于多尺度復雜燃燒流動問題的DSMC-QK微觀算法，為多尺度燃燒問題的基礎理論研究提供算法支持；
　　(2)多尺度復雜流動燃燒問題算法驗證研究。高超聲速多尺度流動燃燒中存在著復雜的激波/湍流/燃燒耦合問題，鑒于此本文采用從解耦到耦合的思路對本文發(fā)展的微觀算法進行驗證研究。研究表明，本文發(fā)展的DSM

4、C-QK微觀算法能準確預測激波結構、化學反應平衡態(tài)以及激波/燃燒耦合特征；
　　(3)微尺寸激波/可燃渦相互作用機理研究。研究發(fā)現(xiàn)，僅在渦柱切向速度與激波運動速度相反的下半計算區(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)生機理中占主導作用。考慮燃燒釋熱時發(fā)現(xiàn)燃燒過程增強了膨脹渦量的產(chǎn)生卻沒有促進凈渦量的產(chǎn)生，進一步研究表明其原因在于強熱傳導下的能量輸運改變膨脹渦量輸運方式的同時也加大了流場的動能耗散，