题目：高速流场的大涡模拟

超声速燃烧冲压发动机是高超声速飞行器最为理想的动力形式，应用前景十分广阔。在超燃冲压发动机众多关键技术中，如何在燃烧室内实现高效、稳定的超声速燃烧是最根本的。经过大量的数值模拟和实验验证，凹腔结构以其总压损失小，稳焰效果好的特点，成功扮演了超燃冲压发动机火焰稳定器的角色。本文为了研究凹腔火焰稳定器的流场特性，利用大涡模拟方法作为主要的数值手段，开展了相关的研究工作。通过对三种常用的湍流数值模拟方法：直接数值模拟、大涡模拟和雷诺平均的对比分析得到，大涡模拟更适合于复杂流动现象的机理研究。因此本文发展了一套能处理复杂湍流的大涡模拟程序，该程序的主要特点为：控制方程为可压缩的Navier-Stokes方程组，亚格子模型使用Smagorinsky涡粘模型或动力涡粘模型；方程采用有限体积法离散，对流通量根据四阶偏斜对称中心格式计算，通过添加人工粘性消除流场中的非物理振荡，粘性项为二阶中心格式，时间推进为3步3阶的紧致Runge-Kutta方法；程序能够处理任意界面匹配的多块结构化网格，利用并行计算环境（MPI），实现对复杂流动的高效并行计算。选择亚临界的圆柱绕流和超声速后台阶流动对本文发展的程序进行验证，结果显示：程序具有较高的计算精度，能够处理具有复杂几何边界的流动问题，能够应用于超燃凹腔结构中复杂流动现象的机理研究。完成程序的校验后，结合对照实验，对超燃冲压发动机凹腔结构的冷态流动进行了模拟。计算结果分析表明，在凹腔内，燃料喷入与主流作用后形成了复杂的漩涡结构：展向涡结构在凹腔内形成了高温低速区，增加了燃料在燃烧室内的停留时间，这对燃料的点火和稳定燃烧起到了主要作用；而在凹腔内形成的亚声速流向涡，在下游发展成超声速流向涡，促进了燃烧室内燃料和空气的掺混。