基于格子Boltzmann方法的超声速非平衡流模拟

计算物理 ›› 2013, Vol. 30 ›› Issue (5): 659-666.

基于格子Boltzmann方法的超声速非平衡流模拟

卓长飞, 武晓松, 封锋, 谢爱元

南京理工大学航空宇航系, 江苏南京 210094

收稿日期:2012-09-24 修回日期:2013-03-21 出版日期:2013-09-25 发布日期:2013-09-25
作者简介:卓长飞(1987-),男,博士生,主要从事推进系统化学反应流数值模拟,E-mail:njust203zcf@126.com

Supersonic Non-equilibrium Flow Simulation Based on Lattice Boltzmann Method

ZHUO Changfei, WU Xiaosong, FENG Feng, XIE Aiyuan

Department of Aeronautics and Astronautics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

Received:2012-09-24 Revised:2013-03-21 Online:2013-09-25 Published:2013-09-25

摘要/Abstract

摘要： 基于D1Q4可压缩格子Boltzmann模型,按照流通矢量分裂方法的思路,采用坐标旋转技术构造求解三维带化学反应Navier-Stokes方程对流通量求解器.结合有限体积法求解三维化学非平衡流Navier-Stokes方程,采用时间算子分裂算法解决化学反应刚性问题,数值模拟超声速化学非平衡流的三个经典算例.数值结果表明:在高马赫数下,采用D1Q4可压缩格子Boltzmann模型构造的三维对流通量求解器数值模拟中没有出现非物理解,同时在超声速化学非平衡流场中正确分辨激波、燃烧波等物理现象,精度和分辨率均较高,验证了本文构造的三维对流通量求解器的可靠性,拓宽了D1Q4可压缩格子Boltzmann模型的应用范围,为计算超声速化学非平衡流提供一种新方法.

关键词: 格子Boltzmann方法, D1Q4模型, Navier-Stokes方程, 化学非平衡流

Abstract: With ideas of vector splitting method and technique of coordinate rotation, a D1Q4 compressible lattice Boltzmann model is used to construct convection flux solvers of 3D Navier-Stokes equations with chemical reactions. Three-dimensional chemical non-equilibrium flow is solved by finite volume method of Navier-Stokes equations. A time-splitting method is applied to resolve stiff problem in computation of chemical reaction flows. Three classic examples of supersonic chemical non-equilibrium flows are simulated. It shows that:At high Mach numbers, numerical simulation using three-dimensional convection flux solvers based on D1Q4 model has no non-physical solution, and can distinguish physical phenomena such as shock, combustion wave in chemical non-equilibrium flow field. Accuracy and resolution are high,which verifys reliability of the three-dimensional convection flux solver. It broadens application of D1Q4 model, and offers a new method for calculation of hypersonic chemical non-equilibrium flows.

Key words: Lattice Bohzmann method, D1Q4 model, 3D Navier-Stokes equations, chemical non-equilibrium flow

中图分类号:

O354.4

卓长飞, 武晓松, 封锋, 谢爱元. 基于格子Boltzmann方法的超声速非平衡流模拟[J]. 计算物理, 2013, 30(5): 659-666.

ZHUO Changfei, WU Xiaosong, FENG Feng, XIE Aiyuan. Supersonic Non-equilibrium Flow Simulation Based on Lattice Boltzmann Method[J]. CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS, 2013, 30(5): 659-666.

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