[发明专利]涡旋流动中最优混合位置识别方法和系统

说明书

本发明公开了一种涡旋流动中最优混合位置识别方法，包括以下步骤：根据涡旋初始速度与热力学参数的分布规律基于可压缩NS方程获得非定常演化的涡相互作用流动结构；计算FTLE；根据FTLE空间分布规律提取LCS脊线；根据LCS脊线和FTLE值确定最优混合位置。本发明还公开了用于实现涡旋流动中最优混合位置识别方法的系统，包括流动方程求解模块、LCS提取模块以及最优混合位置确定模块；所述流动方程求解模块基于可压缩NS方程获得非定常演化的涡相互作用流动结构；LCS提取模块计算FTLE值并提取LCS脊线；所述最优混合位置确定模块根据LCS脊线确定最优混合位置。本发明从物理机制的角度出发确定最优混合位置，有利于推广至不同燃料喷射装置下一般流动最优混合策略的设计。

技术领域

本发明涉及的是一种涡旋流动诱导最优混合位置的识别方法和系统，具体是通过以李雅普诺夫指数(finite-time Lyapunov exponent,FTLE)表征的拉格朗日相干结构(Lagrangian coherent structure,LCS)脊线确定涡相互作用流场诱导流体混合的最优位置。

背景技术

随着对高超声速飞行器性能需求的不断提升，学者们从改善燃料与氧化物掺混效果进而促进燃烧效率的角度提出了一系列混合增强策略，其中在燃料喷射流场中通过涡流发生器产生流向涡结构促进混合因其总压损失小、对可压缩效应不敏感等优势广泛应用于真实超燃发动机燃烧室中。然而在复杂的包含多流向涡相互作用流场中由于局部应变与湍流度的不均匀性，燃料喷射位置的选取对混合效果影响显著。目前在实际工程设计过程中通常采用参数化研究的方式确定较优的混合喷射位置而非从物理机制的角度出发探寻混合性能与流动结构之间的内在联系，不利于推广至不同燃料喷射装置下一般流动最优混合策略的设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种从物理机制的角度出发确定最优混合位置的最优混合位置识别方法和系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种涡旋流动中最优混合位置识别方法，包括以下步骤：

S1：根据涡旋初始速度与热力学参数的分布规律基于可压缩NS方程获得非定常演化的涡相互作用流动结构；

S2：计算FTLE；

S3：根据FTLE空间分布规律提取LCS脊线；

S4：根据FTLE和LCS脊线确定最优混合位置。

进一步，所述步骤S1包括以下子步骤：

S101：以旋转涡对的速度场及热力学参数作为初始条件，对可压缩NS方程求解获得NS方程数学模型；

S102：对NS方程数学模型进行无量纲化；

S103：通过有限体积法对NS方程数学模型进行离散。

进一步，所述FTLE为有限时间内格林-柯西张量的最大特征值，所述格林-柯西张量表示为

其中，为依赖于速度梯度的流体变形张量，*表示矩阵转置。

进一步，所述LCS脊线为对涡相互作用流动结构进行拉格朗日分析后由FTLE最大值等值线构成。

进一步，所述最优混合位置设定为与LCS脊线重合处。

进一步，所述与LCS脊线重合处为喷射区域内平均FTLE值最大的位置。

进一步，所述热力学参数包括压力、密度以及温度。