三维可压缩多相反应复杂流动的界面演变精细模拟方法研究

Supersonic combustion technology is the core of hypersonic technology. An in-depth understanding of supersonic combustion process plays an important role for innovative research in this field. The most challenging task is to faithfully take the physical and chemical properties of reacting multiphase flows into consideration, and accurately describe the motion and evolution of fuel interfaces. It is rarely involved in domestic and international research at present. In order to solve this problem, this project aims to develop the higher-order accurate numerical technique to treat interface topology changes involving mergence and fragmentation for complex geometries. All discontinuity relations at the material interface, including viscosity, surface tension, phase change and chemical reaction, are derived. Furthermore, the mathematical model of interface conditions for multiphase flows with complex physical and thermodynamic characteristics is established. This work improves the ability to accurately simulate complicated flow phenomena. It is also conducive to solve the practical problems with phase change accurately and efficiently, which are generally induced by the interaction of shock waves, chemically reacting flows and droplets. Based on these techniques, this project will extend the ghost fluid method to simulate three-dimensional compressible reacting multiphase flows with complex behaviors. A detailed simulation platform CA-HIFI for interface evolution in large scale scientific computation will be developed. Effectiveness of the numerical method is validated and typical applications are also performed. The ghost fluid method used in this project can provide technical support for some challenging problems such as the enhancement of fuel-air mixing in supersonic flow field. The engineering application of this method has not been found at present.

超声速燃烧技术是高超声速技术领域的核心，对超声速燃烧过程的深入理解是该领域创新研究的重要基础。其中最具挑战的是如何真实考虑化学反应多相流在界面附近的物理化学性质变化，并准确描述燃料界面的运动和演化，目前国内外研究很少涉及。为解决上述问题，本项目拟发展复杂外形下界面拓扑结构发生合并、破碎等变化的高精度数值模拟技术。推导考虑粘性、表面张力、相变、化学反应等因素的界面间断关系，建立复杂物理特性和热力学特性下多相界面条件的数学模型，完善对复杂现象的精细化模拟能力，有利于准确高效地求解激波、化学反应流与液滴作用下带来的相变问题。将虚拟流体方法创新应用于三维可压缩多相化学反应复杂流动的数值模拟，开发大规模科学计算中界面演变的精细化仿真平台CA-HIFI，完成数值模拟方法的有效性验证与应用。本项目使用的虚拟流体方法可以为超声速流场中燃料喷注混合增强等难题提供技术支持，目前尚未发现该方法的工程化应用实例。

可压缩多相反应流体动力学的研究在航空航天、武器物理等领域有大量应用需求，其中的挑战性难题是如何真实描述激波、化学反应诱导下多相物质界面的运动和演化。为解决上述问题，本项目发展了三维多相反应复杂流动的修正虚拟流体方法，并应用于自主研发的多相流界面演变精细化仿真程序。已取得如下重要结果和科学意义：(1) 开发三维界面拓扑变形的高精度算法，建立三维多相界面条件的加权平均技术，可以有效改善原有方法的精准度与稳定性。本项工作实现了对三维物质界面大曲率和复杂拓扑变形的数值模拟。(2) 设计结构网格下可压缩多相流界面条件构建方法，将基于水平集技术的修正虚拟流体方法推广至一般曲线坐标系。本项工作解决了复杂外形或复杂计算区域限制下的多相物质界面演变问题。(3) 提出包含热完全气体状态方程的两介质多组分Riemann问题统一求解方法，可以真实考虑温度变化对比热的影响。本项工作改进了两介质Riemann问题解法的普适性，为多介质流动的精细模拟奠定了基础。(4) 建立热完全气体与其它流体耦合的界面模拟方法，将修正虚拟流体方法推广解决考虑化学反应的两介质多组分流动问题。本项工作拓展了虚拟流体方法的应用范围，实现了包含化学反应等真实流动现象的精细模拟。(5) 开展含热完全气体及化学反应的界面演变现象对比及流场分析，数值结果与实验现象和数据吻合较好，传统方法无法实现。本项工作确认了新方法在模拟考虑激波和化学反应的两介质多组分流动现象的优势和必要性。(6) 设计多相流体界面运动仿真流程，在不影响传统CFD软件功能和计算效率的基础上，通过添加几个模块和极少量的代码修改实现多相流体界面问题的数值模拟。本项工作扩展了CFD软件的解算功能和应用范围。(7) 完成多介质问题的虚拟流体锐界面方法研究综述，对方法的特点、优势和最新进展进行总结归纳。本项工作为科研人员开发和使用相关技术提供了参考和借鉴。