液体推进系统级多场耦合仿真理论与算法研究

数值仿真手段与液体推进系统设计及研制过程相结合，是世界各国航空航天科技发展的重要趋势，随着计算机技术的日益发展，数值仿真在揭示诸多试验现象的动力学机理方面日益表现出试验无法代替的作用。本项目针对当前国内外诸多系统级模型体系的不足，深入研究流体动力学、传热学、化学反应动力学相关理论，重点关注多场耦合情况下积分和微分形式基本方程组的构建问题，开展液体推进系统级流动、传热、燃烧多场耦合瞬变仿真理论与算法研究。有望提出一个系统层次上的能够涵盖三类基本现象的统一的基本方程组，解决目前国内外诸多数值体系缺乏一个统一的基本方程组和相应推导过程的问题，以此为基础构建具有自主知识产权的液体推进系统通用建模与仿真体系，为液体推进系统的设计、研制和复杂现象的机理揭示提供理论和数值支持。

数值仿真手段与液体推进系统设计及研制过程相结合，是世界各国航空航天科技发展的重要趋势。针对国内外诸多系统级模型体系构建中存在的问题，本项目提出了一种新颖的系统层次上的能够融合流动、传热、燃烧多场耦合的基本方程组，有望解决各类系统级模型体系在多场耦合理论基础上的缺失问题；通过对新型基本方程组在空间交错网格上的有限体积离散建立了多组分可压缩变截面管流一维瞬变流动流场的有限体积模型，结合轴对称圆柱坐标系下管壁温度场的二维有限体积模型以及与具体研究对象相适应的化学反应机理，构建了流场、温度场和化学反应场的多场耦合有限体积模型；针对模型中的各个参数建立了一套与多场耦合系统级研究相适应的具体计算方法；由多场耦合有限体积模型出发根据液体推进系统各个典型部件的具体结构进一步拓展衍生出具体的模块化仿真模型，最终构建了一种新颖的多场耦合管流的系统级有限体积模型体系，并以此为基础开发了具有自主知识产权的液体推进系统通用模块化建模与仿真软件，以为液体推进系统的设计、研制和复杂现象的机理揭示提供理论和数值支持。针对多种型号减压器稳定性问题和双组元统一推进系统的一系列动态建模与仿真应用验证了模型体系在流动、传热两场耦合建模与仿真方面的适用性和精度；针对涡轮试验台系统的一系列动态建模与仿真应用验证了模型体系在基于热力计算的流动、传热、燃烧多场耦合建模与仿真方面的适用性和精度，初步验证了模型体系在基于反应机理的多场耦合建模与仿真方面的适用性和精度。所提出多场耦合管流的系统级有限体积模型体系理论推导清晰而自洽、模型体系完备而封闭、程序代码自主而高效，相信经过在具体应用问题上的不断验证和完善，将在包含液体推进系统在内的管路系统数值建模与仿真乃至虚拟试验领域发挥作用。