高速瞬态复杂流场详细发展机理数值研究

关于带化学反应，包含运动边界、复杂几何形状的高速瞬态流场（如膛口流场）的数值研究，涉及到计算流体力学、化学动力学、燃烧及爆炸力学等学科。由于运动体、激波、火焰及湍流之间的强烈相互作用，伴随出现多个复杂物理现象，开展这方面的数值研究，不仅在工程应用方面具有现实的意义，在学术上，也同样具有重要的研究价值。.本项目针对流场的复杂性，根据沉浸边界法（IBM）和传统边界法、多种计算格式（高精度Roe、HLL及AUSM系列等计算格式）的优缺点，构建适合该流场的混合计算模型（包括多组分基元反应模型及相应的湍流模型），并与验证实验结果进行对照，以检验和完善计算模型。最终基于并行计算思想和面向对象概念，编写灵活性扩展性强的程序框架，对接近真实条件下的复杂流场进行数值模拟。揭示流场发展的精细结构和动力学机理，为相关行业的精确化设计提供理论指导。

因膛口流场的复杂性及其工程应用特点，开展数值研究具有重要的学术价值和现实意义。本项目从计算方法及其验证试验、膛口相关现象的动力学机理等方面开展研究。 在课题组原有计算程序基础上，进行了模块化改造，增加多种计算格式(AUSM系列格式、ROE格式以及Roe/HLL混合格式)及其MUSCL高阶插值方法，多组分基元反应模型和RANS湍流模型，并实现了基于ALE方程的任意结构化网格和并行化改进等等。为验证计算方法或程序的可行性，还开展了多种口径膛口流场可视化实验和流场测试工作，获得了清晰的激波动力学发展过程的阴影照片以及膛口流场的时间累积照片。数值结果与典型实验结果符合得很好，说明了计算方法的可靠性。以此为基础，开展了多种复杂膛口流场的数值模拟工作，详细讨论了流场的动力学机理，如初始流场和弹丸初速对流场发展的影响、复杂膛口装置条件下的激波动力学特征以及膛口气动噪声的初步数值模拟等等。这些工作一方面可直接为相关行业提供直接的指导，另一方面也为进一步的研究膛口多相反应流和膛口噪声等奠定了坚实基础。