时-空守恒元解元(CE/SE)方法综述

时-空守恒元解元方法是近年来兴起的一种全新的高分辨率守恒型方程计算方法.它具有物理概念清晰、计算精度高和格式构造简单等优点,是一种具有广阔发展前景的计算方法.本文详细地介绍了CE/SE方法的基本原理、发展历史、应用情况和最新进展,并指出了当前研究的不足和发展方向.

高阶精度CE/SE算法及其应用

对时-空守恒元解元算法(CE/SE)的网格设置做较大改进,提出一种新的六面体解元和元定义;同时在解元中对物理量进行高阶Taylor展开,给出一种在时间和空间上均具有高阶精度CE/SE算法.在此基础上,把新型的高阶精度CE/SE算法推广应用于高速流动捕捉激波间断、气相化学反应流动、计及固体动态效应的流体-弹塑性流动和非稳态多相不可压缩粘性流动中.数值实践表明,提出的新型网格结构上的高阶精度CE/SE算法具有算法简单、计算精度高、计算效率和计算效果好的优点,并大大改进和拓展了CE/SE算法的应用范围.

基于CE/SE方法的二维Euler型多物质流体弹塑性问题计算

将CE/SE方法推广到二维固体流体弹塑性问题的数值计算,同时结合杂交粒子水平集方法追踪物质界面和合适的边界条件,提出一套完整的二维Euler型流体弹塑性计算方案.通过长钨杆侵彻装甲钢实验的数值模拟,对方法的精度和有效性进行验证.

CE／SE方法在多管爆轰流场并行计算中的应用

应用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对二维非结构网格,发展了一套求解化学反应流场的并行程序。采用带扩张-收敛喷管的多管脉冲爆轰发动机模型,把计算域分成若干子域进行并行求解。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对恰当化学当量比混合的氢气和氧气在单爆轰管内的起爆和向多管传播的过程进行了数值模拟。计算结果表明:CE/SE方法能很好地捕捉爆轰流场的精细结构,结果与相关文献符合良好;单管产生的爆轰波对旁通爆轰管的流场结构有很大的影响,能引爆其中的可燃气体。

基于CE/SE方法的铝粉尘爆轰二维两相数值计算

建立了铝粉-空气管内爆轰的二维两相模型.根据守恒元-求解元的思想,构造了铝粉燃烧转爆轰过程的数值计算格式.采用此格式研究了铝粉尘爆轰管内流场,分析了爆轰管内径向与轴向的压力效应、温度以及颗粒相粒径和气相组份的变化.讨论了铝粉/空气燃烧波在爆轰管内碰撞、反射对转爆轰过程的影响.结果表明,爆轰管内火焰阵面和压力阵面能很好地耦合,爆轰管内铝粉和空气能够形成自持传播的爆轰波.本文的数值计算结果对铝粉尘爆轰研究具有理论指导意义.

基于时空守恒元和解元(CE/SE)方法的孔隙介质多相流动计算

将时空守恒元/解元(CE/SE)方法推广到二维孔隙介质多相流问题的数值计算中,采用人工压缩法耦合速度和压力,同时结合杂交粒子水平集方法捕捉物质界面.提出一套完整的二维欧拉型孔隙介质非稳态多相不可压缩黏性流动计算方案.通过对溃坝和液滴在重力作用下的运动和变形问题的数值模拟,验证了方法的精度和有效性.在此基础上,提出了一个新的孔隙介质两相流物理模型——双层流体顶盖驱动方腔流.

内弹道双一维两相流数值计算的CE／SE方法

该文将CE／SE方法从气相流拓展到两相流,构造了适合内弹道两相流动的计算格式,并将之应用于内弹道膛内双一维两相流动的数值模拟中。源项采用四阶Runge-Kutta方法进行处理;与传统的MacCormack格式相比,采用CE／SE方法对膛内两相流计算无需添加人工粘性。用该方法得出的计算结果符合实际过程,与实验结果一致,说明采用此方法进行内弹道两相流计算是可行的。

时空守恒CE/SE数值方法在凹槽燃烧流动中的应用研究

应用时空守恒元和解元CE/SE方法,发展了求解化学反应流场的三维并行计算程序。为验证程序,对超声速冲压喷射燃烧室模型进行了计算,计算结果与实测数据以及相关文献的计算结果吻合较好,验证了本文的处理方法和程序的正确性。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对不同长深比的凹槽燃烧流动进行了数值模拟,分析了凹槽增强混合对稳定火焰的作用。计算结果表明,CE/SE方法具有模拟凹槽超声速燃烧流动的能力,数值模拟的结果有助于认识凹槽的火焰稳定机理。

基于CE/SE方法模拟空气中RDX-Al悬浮粉尘的两相爆轰

通过CE/SE方法模拟了空气中炸药-铝粉尘的两相爆轰过程,研究了双粉尘爆轰过程中粒子不同密度对爆轰波速度、压力的影响,得到密度与波速、爆压间的线性关系。模拟得到悬浮粉尘在复杂通道中的爆轰波传播过程,研究了双粉尘爆轰的流场演化过程,选取流场中的一些点对该处流场的压力及温度随时间的变化进行重点研究,对比了单铝粉尘在同种条件下的爆轰过程,发现双粉尘爆轰明显提高了爆轰波波速和流场的压力及温度。模拟结果表明CE/SE方法可以成功模拟双粉尘的爆轰过程,可为多粉尘爆轰的研究提供参考。

CE/SE方法数值模拟炸药粉尘爆轰

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.

二维CE/SE方法在内弹道湍流两相流动中的应用

本文根据CE/SE方法思想,构造湍流二维两相流动的CE/SE数值计算的格式。采用此格式对膛内二维湍流两相流动进行数值计算。计算结果表明:对中心点火方式,在点传火过程初期,膛内压力在径向与轴向上存在较大的压力梯度,当火药全部着火后,药室内径向压力逐渐趋于一致;在靠近点火管附近,传火孔喷射的高速燃气和固体火药颗粒相互影响,气相形成不同程度的旋涡,能提高火药颗粒点火的均匀程度;采用湍流两相流模型的数值计算结果反映实际规律,能更加细致真实地反映壁面附近物理量的变化。

基于非结构网格CE/SE算法圆柱绕流气动声场模拟

本文采用时空守恒(CE/SE)格式求解Navier-Stoks方程与Euler方程,数值模拟了绕圆柱流动引发的气动噪声源及传播问题。对近声场与远声场采用了不同的控制方程和边界条件,分别得到了流场与声场解。将其与采用大涡模拟和FW-H方程得到的结果进行了对比,表明本文的数值方法能够很好地反映流场与声场的形态,能较好地模拟声场指向性及流场中的拟声现象,相比LES/FW-H方法能更精确地反映流场与声场的相互关系。

一维CE/SE方法在气液两相爆轰计算中的应用

应用CE/SE方法对气液两相爆轰进行数值求解,研究了爆轰波在管内的传播过程.对刚性源相,采用四阶龙格库塔法对其求解.分析了液滴半径大小对爆轰波峰值压力的影响,液滴半径增大,爆轰压力减小,形成稳定爆轰波的距离增加;且液滴半径过大不能形成稳定的爆轰波.

CE/SE法模拟爆震波点火及传播过程

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟一维爆震波的形成及传播过程,分析产生爆震波的不同机理和DDT(爆燃-爆震转捩)过程的影响因素.采取激波点火和热点点火两种点火方式,分别对应SDT(激波-爆震转捩)和DDT过程,热点点火初始场采用线性温度分布和阶梯性温度分布,整个管道均为常压.用隐式梯形方法实现刚性源项积分.结果表明,SDT和DDT对应于不同的爆震波机理,并且DDT受点火区不同参数的影响,为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.

CE/SE方法在障碍物对爆炸冲击波干扰流场计算中的应用

应用高精度的CE/SE方法对厂房中爆炸冲击波扫过障碍物挡墙形成的流场进行了二维数值模拟,具体分析了障碍物、厂房内壁与冲击波相互作用的规律,得到了能够反映障碍物作用前后波系结构变化的压力等值线图.数值结果显示了冲击波遇障碍物发生反射、绕流等现象,形成复杂波系;通过与无障碍物存在的爆炸流场对比,分析了相对于爆点不同位置的障碍物对爆炸流场的影响;最后改变爆点个数,对爆炸流场的变化做了进一步分析.数值模拟结果符合相关物理规律.

基于CE/SE方法的铝粉尘爆轰一维两相数值计算

建立了铝粉—空气两相爆轰的一维模型,采用CE/SE方法对铝粉燃烧转爆轰过程进行数值模拟.分析了铝粉尘爆轰管内流场,研究了不同位置处铝粉颗粒半径随时间的变化规律.讨论了点火能量对铝粉燃烧转爆轰过程的影响.结果表明:点火能量越低,形成稳定爆轰距离越长.本文的数值计算结果对铝粉尘爆轰研究具有重要的理论指导意义.

二维粘性CE/SE方法在两相流内弹道计算中的应用

根据CE/SE方法思想,构造粘性二维两相流动的CE/SE数值计算的格式。采用此格式对膛内二维粘性两相流动点火过程进行数值计算。计算结果反映实际规律并和试验结果符合,结果表明,对中心点火方式,在点传火过程初期,膛内压力在径向上存在较大的压力梯度,当火药全部着火后,药室内压力逐渐趋于一致。同样也表明CE/SE方法能够完全模拟瞬态二维两相流动的情况。

CE/SE方法在点火管一维两相流数值计算中的应用

介绍了 CE/SE 方法。该方法不同于以往的一些计算格式,在计算中它把时间和空间同等对待,具有格式构造简单、计算方便和对激波间断分辨率高等优点。运用适合点火管一维两相流控制方程的 CE/SE方法来计算点火管内的一维两相流流动,源项采用四阶 Runge-Kutta 方法进行处理。数值计算的结果与实验数据的比较表明,CE/SE 方法能对两相流进行有效的数值模拟。

CE/SE方法在内弹道瞬态两相流中的应用

根据CE/SE方法思想,构造在变换坐标系下内弹道两相流动数值计算的格式.采用此格式研究了膛内瞬态二维两相流动点火过程.数值计算结果反映实际规律并和试验结果符合.结果表明,对中心点火方式,在点传火过程初期,膛内压力在径向和轴向上存在较大的压力梯度,当火药全部着火后,药室内压力在径向上逐渐趋于一致.这表明CE/SE方法能够完全模拟瞬态二维两相流动的情况.

三角形网格CE/SE方法在带锥形尾喷管两相脉冲爆轰发动机流场计算中的应用

推导了带源项的三角形网格求解元守恒元数值方法的计算格式,应用该方法模拟了带锥形扩张尾喷管的气液两相脉冲爆轰发动机的内外流场。分析了锥形尾喷管内不同填充状况对脉冲爆轰发动机的内外流场和推进性能的影响。计算结果表明该三角形网格CE/SE方法可以有效捕捉到直管和变截面管中的爆轰波、激波等强间断,很好地刻画了PDE内外流场的细节。锥形尾喷管中不填充燃料时,尾喷管中的流场复杂,压力峰值大幅下降,马赫数峰值增大,此时发动机对燃料的利用率更高;而将锥形尾喷管和爆轰管作为整体全部填充燃料时,锥形管中流场简单,压力峰值比直管中略有下降,此时发动机得到更大的瞬时推力和冲量,总体推进性能提高。