超声速湍流燃烧的直接数值模拟研究

Towards detailed simulation of supersonic combustion in scramjet, shock-capture schemes with high resolution and high robustness as well as high efficient parallel techniques will be studied. Based on the study, we will develop open CFD software for detailed simulation of supersonic combustion. By using the numerical schemes and the CFD software, we will perform the direct numerical simulation (DNS) of complex combustion flows in a scramjet engine as well as the supersonic combustion of jet turbulence, and then the turbulent flow database will be developed. Based on the DNS data, the mechanism of supersonic combustion will be studied, including the effects of shockwaves and flow separation on the combustion and the effects of combustion on the fine scale eddies and statistics of turbulent flows. Furthermore, based on the DNS data, a priori test and improvement of turbulence modeling and turbulent combustion modeling will be performed.

面向超燃冲压发动机内超声速湍流燃烧的精细模拟，开展高分辨率、高鲁棒性数值方法及高效并行算法研究，形成一套开放的高精度湍流燃烧数值模拟软件。以此为基础，以超燃冲压发动机燃烧室内的超声速湍流燃烧以及超声速射流燃烧为研究对象，开展直接数值模拟，建立超声速燃烧直接数值模拟数据库。以该燃烧数据库为基础，探讨燃烧室复杂环境下超声速燃烧的流动机理，包括波系、分离对湍流混合及燃烧的影响、燃烧对湍流小尺度结构及统计特征的影响等。同时，以直接数值模拟数据为基础，对现有湍流模型及湍流燃烧模型进行先验评估及改进，提升模型对超声速湍流燃烧的预测能力。

直接数值模拟是研究湍流燃烧机理的重要工具。面向湍流燃烧的高精度数值模拟，课题组首先开展了面向湍流燃烧的高精度数值方法及模型研究，构造了自适应耗散的保单调差分格式(OMP-AD)及自适应优化的WENO格式(WENO-CL)等高精度格式；构造了NDMM等新型大涡模拟模型。在此基础上，开发了化学反应流动高精度差分求解软件OpenCFD-Comb。与常用的商业软件相比，OpenCFD-Comb具有很高的精度及分辨率，适用于超声速湍流燃烧的直接数值模拟。.利用自主开发的方法及软件，进行了来流Mach数1.2的超声速氢气-空气自由射流燃烧以及Mach 1.5边界层湍流射流燃烧的直接数值模拟，得到了湍流燃烧整个发展过程的湍流数据库。 分析了燃烧对湍流拟序结构、转捩特性以及湍流脉动特性的影响。数据显示，燃烧明显推迟了湍流的转捩过程，并弱化了湍流的小尺度涡结构。此外，燃烧对湍流脉动的概率密度分布、湍动能发展特性以及能谱均有明显影响。本项目形成高精度湍流燃烧数值模拟软件一套、湍流数据库两套、发表论文10篇，其中SCI收录7篇。以上研究理解湍流燃烧的流动机理，构建湍流燃烧的计算模型提供了依据。