考虑边界层燃烧放热效应的可压缩壁函数计算方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑边界层燃烧放热效应的可压缩壁函数计算方法，属于计算流体力学领域。本发明专利技术通过理论推导提出了燃烧化学反应条件下的速度壁面律和温度壁面律，基于此构造了可同时兼容有/无化学反应可压缩湍流边界层的统一壁函数计算方法，并设计了与CFD程序耦合求解的详细流程。所述计算方法的技术实现难度低，并且适用于有或无边界层燃烧放热效应的情况。本发明专利技术可大幅提高超燃冲压发动机内流道摩阻/热流的数值模拟效率，大幅缩短计算周期。

A compressible wall function method considering the exothermic effect of boundary layer combustion

The invention discloses a compressible wall function calculation method considering the exothermic effect of boundary layer combustion, which belongs to the field of computational fluid dynamics. The invention provides a speed wall combustion chemical reaction under the conditions of the law and the law of the wall surface temperature through theoretical derivation, the structure can be compatible with / without chemical reaction function uniform wall turbulent boundary layer calculation method based on design and coupled with CFD program solving the detailed process. The calculation method is difficult to realize, and is applicable to the exothermic effect of combustion with or without boundary layer. The present invention can greatly improve the numerical simulation efficiency of the friction flow / heat flow in the internal flow passage of the scramjet, and greatly shorten the calculation period.

【技术实现步骤摘要】
考虑边界层燃烧放热效应的可压缩壁函数计算方法
本专利技术属于计算流体力学(CFD)领域，具体涉及一种考虑边界层燃烧放热效应的可压缩壁函数计算方法，可有效提高超燃冲压发动机内流道摩阻/热流计算效率。
技术介绍
超燃冲压发动机被认为是未来吸气式高超声速飞行器的理想动力装置，其技术发展具有重大战略意义，因此受到了各国的高度重视。由于超声速燃烧相关实验实施困难且某些参数限于测量技术而无法直接获取，计算流体力学(CFD)在超燃冲压发动机内流道的流场分析中得到了广泛的应用，并逐渐成为超燃冲压发动机设计中非常重要的技术手段。超燃冲压发动机内流道壁面摩阻和热流的数值预测对计算流体力学(CFD)技术构成了很大挑战。超声速可压缩湍流边界层内的速度和温度在近壁区呈现剧烈变化，使得摩阻和热流的计算结果高度依赖于壁面法向网格的划分方式，特别是壁面法向第一层网格的间距。很多研究均指出，要准确计算高速可压缩湍流边界层的摩阻和热流，壁面法向第一层网格间距一般要满足y+＝ρwuτΔy/μw<1的要求(其中ρw为壁面密度，uτ为壁面剪切速度，Δy为壁面第一层网格间距，μw为壁面分子粘性系数)。这要求近壁面法向网格本文档来自技高网...

【技术保护点】
考虑边界层燃烧放热效应的可压缩壁函数计算方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：燃烧放热效应下的速度壁面律；

【技术特征摘要】
1.考虑边界层燃烧放热效应的可压缩壁函数计算方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：燃烧放热效应下的速度壁面律；该速度壁面律的对于边界层内有/无燃烧放热效应的情况均成立；步骤2：燃烧放热效应下的温度壁面律；由二维条件下总焓与速度输运方程的相似性以及相应的边界条件，得到速度u-静焓h的关系式如下：其中，hw和he分别为壁面上和边界层外缘混合气体的静焓，r为常数恢复因子；通过数学变换可去掉式(10)中边界层外缘的参数并将速度u的形式变换为无量纲的速度u+的形式，最后得到速度-静焓的关系式如下：其中，Cpw为壁面上混合气体的定压比热容；此速度-静焓关系式在无边界层燃烧的情况下会自动退化为Crocco-Busemann速度-温度关系式，因此其也可兼容边界层内有或无燃烧放热效应的不同情况；步骤3：考虑边界层燃烧放热效应的壁函数方法；具体的求解流程如下：首先，根据速度壁面律式(9)以及CFD程序计算得到的壁面第一层网格上的速度u1，迭代求解壁面剪切速度uτ，进而求得τw，即作为当地壁面的摩擦应力；式(9)中Γ和β的表达式中μw和kw一定要基于Wilke的混合律获得；将求得的当地壁面的摩擦应力τw值加入到CFD粘性子程序中替换掉动量方程中对应的壁面切应力值τ1/2；其次，根据以上速度壁面律中得到的u1+以及CFD程序计算得到的壁面第一层网格上的静焓h1，由速度-静焓关系式(11)式得到热流qw,所求得的热流qw即作为当地壁面的热流；同样,需要将求得的热流qw值加入到CFD粘性子程序中替换掉能量方程中对应的壁面热传导项q1/2。2.根据权利要求1所述的考虑边界层燃烧放热效应的可压缩壁函数计算方法，其特征在于：所述的速度壁面律的推导过程如下：首先引入燃烧理论中的Shvab-Zeldovich耦合参数Zho，ZoT和ZhT：其中，和分别为边界层内氧气和氢气组分的质量分数浓度，H为气体的敏感焓，而常数...

【专利技术属性】
技术研发人员：高振勋，蒋崇文，李椿萱，张智超，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11