Численное моделирование нестационарных течений реагирующего газа с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов

• Автор: Северина, Наталья Сергеевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. Сеточнохарактеристический метод для расчета квазиодномерных нестационарных течений реагирующего газа с явным

выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов

1.1 Математическая модель.

1. 2 Алгоритм решения начальнокраевой задачи с явным выделением произвольного числа сильных и слабых разрывов.

1.2.1. Определение координат подвижных узлов

1.2.2. Расчет точки в поле течения

1.2.3. Расчет точки на контактном разрыве.

1.2.4. Расчет точки на ударной волне

1.2.5. Расчет точки на границе области
1.2.6. Расчет точки на характеристике.
1.2.7. Обработка взаимодействий.
1.3. Модельные задачи.
Выводы к главе 1
Глава 2. Комплекс программ для задания, хранения, визуализации и анализа результатов численного моделирования одномерных нестационарных задач физической газовой динамики
2.1. Назначение и структура комплекса.
2.2. Задание входных данных для расчетного модуля
2.3. Графическая обработка расчетных данных.
2.4. Особенности программы визуализация.
2.5. База данных термодинамических свойств индивидуальных веществ и
кинетических механизмов.
Выводы к главе 2
Глава 3. Моделирование влияния колебательной релаксации и электронного возбуждения на структуру ударной волны в кислороде.
3.1. Роль термической неравновесности в моделировании химической кинетики на примере диссоциации молекулярного кислорода за фронтом ударной волны.
3.1.1. Математическая модель
3.1.2. Исследования термической неравновесности за фронтом стационарной ударной волны.
3.1.3. Термическая неравновесность при нестационарном распространении
ударной волны.
3.2. Влияние электронного возбуждения на структуру ударной волны в кислороде.
3.2.1. Постановка задачи
3.2.2. Математическая модель
3.2.3. Стационарная ударная волна.
Выводы к главе 3
Глава 4. Моделирование воспламенения водородо кислородных
смесей в ударной волне
4.1. Задача об инициировании детонации за отраженной ударной волной
4.2. Моделирование эксперимента В.А. Павлова в ударной трубе
4.2.1. Экспериментальная установка
4.2.2. Моделирование экспериментов в стационарной постановке
4.2.3. Моделирование экспериментов в нестационарной постановке
Выводы к главе 4..
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В настоящее время с развитием вычислительной техники существенно возросла роль математического моделирования, как альтернативы и дополнения к физическому эксперименту. Разработка высокоточных и экономичных методов, позволяющих моделировать течения газа с физико-химическими превращениями при наличии в поле течения сильных разрывов (ударных волн, контактных разрывов), является актуальной практически важной задачей. Не смотря на развитие многомерных методик моделирования, одномерные модели сохранили свою важность, в частности они позволяют путем сравнения численных и экспериментальных результатов верифицировать модели, описывающие неравновесное протекание химических превращений в газовой фазе, которые в дальнейшем могут быть использованы при моделировании работы реальных перспективных установок, например детонационного двигателя. Разработка вычислительных алгоритмов для моделирования квазиодномерных нестационарных течений многокомпонентного реагирующего газа с явным выделением произвольного числа взаимодействующих разрывов. Разработка комплекса программ, позволяющего исследовать газодинамические течения с ударными и детонационными волнами, выделять их тонкие структуры, отслеживать распространение возмущений, определять места зарождения газодинамических разрывов. Проведение широкомасштабного вычислительного эксперимента для получения высокоточных решений задач физической газовой динамики, а также с целью исследования неравновесных физических процессов, таких как: химическая кинетика, колебательная релаксация, детонация и другие. Разработка структуры хранения выходных данных и подсистемы визуализации результатов численного решения гиперболических двумерных разрывных задач математической физики на подвижных неструктурированных сетках, в том числе и для случая пересекающихся сеточных линий. Исследование влияния колебательной релаксации и электронного возбуждения молекул на структуру ударной волны в кислороде. Исследование процессов инициирования и развития детонации в ударных трубах. Проведение численного моделирования серии экспериментов по измерению задержек воспламенения сильно разбавленных аргоном водородо-кислородных смесей (3-5%) в ударных трубах за падающими ударными волнами. Разработаны вычислительные алгоритмы и программный комплекс, позволяющие решать одномерные нестационарные уравнения физической газовой динамики с точным выделением областей непрерывного и разрывного течений. Разработаны и апробированы алгоритмы, решающие задачи, которые возникают при пересечении сеточных линий друг с друг ом, в том числе решена задача о зарождении ударной волны, в результате пересечения характеристик одного семейства. На примере расчета течения за сильной ударной волной в кислороде показана применимость разработанных методик к численному моделированию течений с колебательной релаксацией и электронным возбуждением. Исследована зависимость длин зон температурной и химической неравновесности от числа Маха ударной волны. На примере расчета нестационарного течения в ударной трубе, заполненной горючей смесью водород-кислород-аргон показана применимость разработанных методик к численному моделированию течений при наличии детонации. Получена детальная картина течения, которая включает: распад разрыва на границе инертный газ - горючая смесь, образование и распространение волны воспламенения, взаимодействие волны воспламенения с ударной волной, образование нестационарной пересжатой детонационной волны, переход от нестационарной к стационарной пересжатой детонационной волне. Исследована зависимость времени задержки воспламенения горючей смеси от начального давления и степени разбавления аргоном. Разработаны алгоритмы и комплекс программ для прецизионной визуализации результатов численного моделирования на существенно нерегулярных сетках: сеточные линии могут пересекаться, исчезать, зарождаться в процессе расчета. Комплекс программ позволяет строить временные развертки течения, графики параметров течения в различные моменты времени, а также вдоль произвольных сеточных линий.