超燃碳氢燃料化学反应机理简化分析软件包及与CFD软件的耦合和收敛加速

目前计算流体力学（CFD）软件在计算超声速燃烧流场时仍然以采用总包或者简单的简化化学反应机理为主，这是由于碳氢燃料燃烧化学反应机理的复杂性造成。然而使用这样的反应机理，无法对点火、火焰稳定以及燃烧效率等超燃冲压发动机设计中极为重要的问题进行模拟。因此，本项目将自主开发一套基于准稳态假设方法的化学反应动力学软件包，同时结合申请人在计算数学方面的经验，利用计算数学的最新成果，解决该软件的收敛和刚性问题。同时，CFD软件在计算三维超燃燃烧流场时不可避免的碰到计算时间过长的问题，即使采取大规模的并行计算，一个通常的算例完成时间往往在以天为单位。本项目将应用计算数学的最新成果，将先进的大规模矩阵求解算法应用到CFD软件中，目标是将一个三维超燃燃烧流场计算所需时间提高三倍，从而不仅仅加快科研周期，更使以后进一步将CFD和超燃冲压发动机优化设计结合成为可行。

开发一套能够进行简化反应机理分析的软件包并与CFD软件耦合,该软件包包括详细化学反应机理分析和处理模块,基于准稳态假设的化学反应机理简化模块,简化机理与CFD耦合加速模块. 简化机理程序利用Python脚本语言编写，根据Chemkin计算详细化学反应机理计算结果，挑选出准稳态组分，然后该模块根据准稳态假设，自动生成简化反应机理以及相关源代码，CFD和Chemkin可以调用该反应机理源代码进行化学反应计算。同时该模块进行机理验证，采用的方法有比较点火延迟和火焰传播速度。同时将简化机理源程序与CFD程序耦合，需要采取特定算法来解决刚性和加速计算，目前采取的算法有：直接隐式算法，直接分步积分和ISAT收敛加速算法。其中直接分步积分算法和ISAT收敛加速算法通过算例比较速度。利用上述开发软件包，将煤油和乙烯燃烧详细反应机理进行简化，得到了基于准稳态假设的煤油和乙烯燃烧简化机理并成功与CFD软件耦合。同时实现了超燃发动机燃烧室CFD的高效计算，并且开展了较多燃烧室实验的数值模拟。采用Newton-Krylov方法，对CFD软件进行算法优化，成功实现收敛时间3倍加速。采用ISAT算法，成功使得简化机理计算时间的减少。