氢气-空气混合物中瞬态爆轰过程的二维数值模拟

 对高温火团引发的氢气-空气混合气的瞬态爆轰过程进行了二维数值模拟,考虑了H₂-O₂-N₂的详细化学反应动力学机理,该机理包含了19个基元反应和9种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Euler方程,其中使用全耦合的TVD格式求解流场,使用基于Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。计算结果表明：在H₂∶O₂∶N₂＝0.4∶0.4∶0.2（摩尔比）的混合气中,高温气团初始温度为T/T₀=5.3时可诱导爆轰,爆轰波以2 300 m/s的速度传播,同时爆轰波阵面在管壁会形成反射波。还对计算的爆轰波后组分的浓度和温度进行了讨论,为理解爆轰波后结构提供信息。     

来流边界层效应下斜坡诱导的斜爆轰波

以超声速预混气中的斜爆轰波为研究对象,对其在来流边界层效应下的特性进行了实验研究.在马赫数为3的超声速预混风洞中,通过斜坡诱导产生了斜爆轰波.当来流的当量比较低时,预混气中产生的是化学反应锋面与激波面非耦合的激波诱导燃烧现象.此时边界层分离区中的化学反应放热将使分离区尺度显著增大,流场非定常性显著增强,激波位置剧烈振荡.当来流的当量比较高时,预混气将产生斜爆轰波.此时边界层分离区会影响到斜爆轰波起爆时的形态.在小尺度分离区下,斜爆轰波起爆时呈突跃结构(有横波);在中等尺度分离区下,流场固有的非定常性使斜爆轰波呈间歇突跃结构;在大尺度分离区下,斜爆轰波起爆则呈完全的平滑结构(无横波).     

斜爆轰发动机流动机理分析

为了研究高Mach数超燃冲压发动机和斜爆轰发动机的内流场燃烧流动机理，首先用CJ爆轰理论对超燃冲压发动机的内流场特性进行了理论分析，给出了燃烧室流场的气动规律，理论分析结果与现有实验结果吻合得非常好.其次，根据理论分析结果，提出了高Mach数超燃冲压发动机和斜爆轰发动机的气动设计原则.最后，根据提出的气动设计原则，设计了高Mach数斜爆轰发动机，飞行Mach数为9，对斜激波诱导燃烧机理开展了二维数值模拟研究.数值模拟结果表明，在高Mach数下，斜爆轰发动机燃烧室内可以得到稳定的燃烧流场.      

基于基元反应模型的H2-O2-N2爆轰数值模拟

 采用12组分、23个化学反应的基元化学反应模型,用5阶加权本质无震荡格式（WENO）、3阶TVD Runge-Kutta格式,对H₂-O₂-N₂混合气体胞格爆轰进行了数值模拟。研究了一维ZND爆轰、自维持爆轰的详细结构以及三波点附近的流动结构。计算结果表明：由横波的压力可以显著促进二维爆轰波波阵面的形成;横波的运动生成三波点,三波点造成了爆轰的自维持传播。     

旋转爆轰流场的三维结构及其径向变化的数值研究

基于带化学反应的三维Euler方程,采用8组元和24个可逆化学反应的基元反应模型,对等当量比的气相氢气/氧气系统在圆环形燃烧室内的旋转爆轰进行了数值模拟。结果表明,子爆轰波、斜激波和滑移线组成了旋转爆轰波的基本三维结构。由于旋转爆轰燃烧室特殊的几何构型,即内壁的发散和外壁的收敛,使内壁面附近的爆轰强度要小于外壁面附近的爆轰强度,最终实现旋转爆轰波在燃烧室内的自持传播。     

平面声波斜入射到水中无限长圆柱壳体的纯弹性共振散射

斜入射情况下水中弹性圆柱壳体的共振声散射问题至今还很少被研究。本文导出了平面声波斜入射时水中无限长圆柱壳体纯弹性共振散射函数的简单而明显的表达式。针对中空铝圆柱壳体（ｂ／ａ＝０．８）详细计算了不同入射角时纯弹性共振散射的分波共振谱，同时还给出了远场反向散射形态函数及其刚硬背景隔离，发现形态函数受吻合频率的影响很大。文中详细计算了斜入射时无固次复频率平面上的共振复极点分布，并由此计算了不同入射角时各阶共振模式，特别是附加共振模式所对应螺旋环绕波的相速度频散曲线。这些结果十分有助于认识声波斜入射下圆柱壳体的共振和再辐射的物理本质。     

高温高压下爆轰产物中不同种分子间的相互作用

给出了一种由特殊炸药的爆轰参数确定不同种分子间势函数参数的方法:由基于统计物理的爆轰产物物态方程程序类CHEQ,计算炸药RX-23-AB,HNB和PETN的爆轰参数,反推分子间的相互作用.给出了炸药主要爆轰产物H₂O,CO₂和N₂之间的非理想混合修正系数:K_N2-H2O=1.03,k_N2-CO2=1.035,k_H2O-CO2=0.96,将本文确定的不同种分子间势函数参数用于计算炸药PBX9404的超高压雨贡纽,获得了与实验一致的结果,验证了方法和参数的合理性.     

气相爆轰波沿胞格的动力学机理研究

 建立了一种以子单元分析为基础,研究气相爆轰波沿胞格运动时的动力学机理的新方法。根据该子单元的性质和斜冲击波关系,首先推导了对撞前后前导冲击波沿胞格对称轴的马赫数之比和入射冲击波入射角及胞格几何性质的关系,求解了胞格结构中的三波点对撞问题。然后,采用爆炸波模拟前导冲击波的自持运动过程,求解气相爆轰波沿胞格的动力学过程,理论分析表明,气相爆轰波在胞格起点首先经历一个增长过程,然后才出现衰减。理论分析结果与实验和数值计算结果的比较表明符合得较好。     

特殊炸药的爆轰参数计算

 针对BKW（Becker-Kistiakowsky-Wilson）状态方程,编写了爆炸参数计算程序。该程序除了可以计算常规含C、H、O、N元素炸药的爆轰参数,还能计算含有其它金属元素炸药的爆轰参数。通过对含Fe、Mn元素的乳化炸药以及含Al元素的水胶炸药的爆轰参数计算表明,该计算程序得到的计算结果与实验结果基本一致,相对误差不超过1%。采用该程序计算爆轰参数时,只需输入炸药的化学式、常温常压密度和生成焓即可。     

PBX-9502炸药爆轰反应速率模型研究

利用高能炸药爆轰反应的拉格朗日分析方法,得到了一个形式简单的PBX-9502炸药的爆轰反应速率方程。运用该速率方程,计算了PBX-9502炸药爆轰波反应区的纵向结构,并与三项式点火增长模型的计算结果及实验结果进行比较。结果表明:该爆轰反应速率方程能很好地模拟PBX-9502炸药爆轰波反应区的纵向结构。     

激波诱导火焰界面失稳的并行化学加速计算

在带有详细化学反应机理的可压缩反应流数值模拟中，化学反应源项的计算会极大增加计算时间，基于建表技术的化学加速算法可以通过查找数据表中的数据来替代化学反应计算，从而有效提高计算效率，但数据表尺寸的过度增长会导致计算的中断.文章提出了基于两种数据表容量控制策略的并行动态存储/删除算法，并在激波诱导火焰界面失稳的数值模拟中进行了应用，以考察算法的性能.两种数据表容量控制策略分别为单表容量（M_sin）控制和总表容量（M_tot）控制，当单个数据表尺寸达到M_sin或总数据表尺寸达到M_tot时，对数据表进行节点删除，以保证计算的正常进行.计算结果表明，文章提出的基于表容量控制的并行加速算法，其计算准确度和计算效率之间存在关联，具有较好计算准确度算例显示了较高的计算效率.在不同的M_sin和M_tot条件下，计算的化学加速比在2.73~3.93之间.两种表控策略的组合影响了数据表删除的频率和删除之间的同步性，当数据表删除频率小、删除同步性强时，化学加速比要更高.      

二维等离子体并行PIC模拟的性能分析及应用

通过区域分解法实现了二维等离子体粒子模拟程序并行化,并将此程序运行在由16个Pentium Ⅲ 1.6G CPU组成的微机机群上,对其性能进行了测试.结果表明,在计算规模一定的情况下,并行程序的并行效率随计算结点的增加而降低;而在计算节点不变的情况下,并行效率随计算规模的增加而增加,并行计算更适合于计算规模大的物理问题.利用此并行程序计算了等离子体中的束流不稳定性,结果表明,在波动激发的线性增长阶段,等离子体束流激发的Alfv啨n波基本上沿背景磁场方向传播,其波数满足共振条件ω-kV_b=-Ω_i,其中ω和k分别为Alfvén波的频率和波数,V_b为束流的速度,Ω_i为离子的回旋频率.     

Influence of chemical kinetics on spontaneous waves and detonation initiation in highly reactive and low reactive mixtures

Understanding the mechanisms of explosions is important for minimising devastating hazards. Due to the complexity of real chemistry, a single-step reaction mechanism is usually used for theoretical and numerical studies. The purpose of this study is to look more deeply into the influence of chemistry on detonation initiated by a spontaneous wave. The results of high-resolution simulations performed for one-step models are compared with simulations for detailed chemical models for highly reactive and low reactive mixtures. The calculated induction times for H₂/air and for CH₄/air are validated against experimental measurements for a wide range of temperatures and pressures. It is found that the requirements in terms of temperature and size of the hot spots, which can produce a spontaneous wave capable to initiate detonation, are quantitatively and qualitatively different for one-step models compared to detailed chemical models. The time and locations when the exothermic reaction affects the coupling between the pressure wave and spontaneous wave are considerably different for a one-step and detailed models. The temperature gradients capable to produce detonation and the corresponding size of hot spots are much shallower and, correspondingly, larger than those predicted using one-step models. The impact of the detailed chemical model is particularly pronounced for the methane-air mixture. In this case, not only the hot spot size is much greater than that predicted by a one-step model, but even at the elevated pressure, the initiation of detonation by a temperature gradient is possible only if the temperature outside the gradient is rather high, so that can ignite a thermal explosion. The obtained results suggest that the one-step models do not reproduce correctly the transient and ignition processes, so that interpretation of the simulations performed using a one-step model for understanding mechanisms of flame acceleration, DDT and the origin of explosions must be considered with great caution.     

铝酸盐水泥矿物结构与性能的量子化学计算研究

用量子化学的电荷自洽离散变分Xα(SCC-DV-Xα)计算方法研究了CaO-Al₂O₃系统五种水泥矿物的结构、性能与化学键之间的关系及固溶的杂质离子Na⁺对矿物性能的影响。计算结果表明:Ca-O共价键强度的次序是C₃A < C₁₂A₇ < CA < CA₂ < CA₆,且各矿物的Ca-O键强度都小于它们的Al-O键强度,与相应的水泥矿物水化活性的实验结果一致。Na⁺固溶于C₃A结构后使其Al-O键增强,水化活化能变大,态密度减小,被认为是Na⁺降低C₃A水化活性的主要原因。     

榄香烯及其衍生物的计算化学研究I β-榄香烯13C NMR化学位移的理论计算

报道了抗癌新药β-榄香烯的¹³C NMR化学位移的量子化学计算.在分子力学MMX和量子化学RHF/6-31G^*或B3LYP/6-31G^*优化结构的基础上进行了两种规范变换方法GIAO和CSGT的Hartree-Fock和B3LYP (6-31G^*基组)的化学位移计算.并对计算结果进行了误差分析和线性相关分析.所有的这些结果中,采用GIAO规范变换方法都好于CSGT,而以GIAO-B3LYP/6-31G^*//B3LYP/6-31G^*计算的结果最好,RMS为4.3ppm,相关系数R²为0.998,SD为2.42 ppm.而GIAO-B3LYP/6-31G^*//MMX是一种能兼顾计算时间和计算精度的方法,其RMS、R²和SD分别为4.9、0.996和3.0 4 ppm.     

榄香烯及其衍生物的计算化学研究I β-榄香烯13C NMR化学位移的理论计算

报道了抗癌新药β-榄香烯的¹³C NMR化学位移的量子化学计算.在分子力学MMX和量子化学RHF/6-31G^*或B3LYP/6-31G^*优化结构的基础上进行了两种规范变换方法GIAO和CSGT的Hartree-Fock和B3LYP (6-31G^*基组)的化学位移计算.并对计算结果进行了误差分析和线性相关分析.所有的这些结果中,采用GIAO规范变换方法都好于CSGT,而以GIAO-B3LYP/6-31G^*//B3LYP/6-31G^*计算的结果最好,RMS为4.3ppm,相关系数R²为0.998,SD为2.42 ppm.而GIAO-B3LYP/6-31G^*//MMX是一种能兼顾计算时间和计算精度的方法,其RMS、R²和SD分别为4.9、0.996和3.0 4 ppm.     

Simulation of Combustion Field with Lattice Boltzmann Method

Turbulent combustion is ubiquitously used in practical combustion devices. However, even chemically non-reacting turbulent flows are complex phenomena, and chemical reactions make the problem even more complicated. Due to the limitation of the computational costs, conventional numerical methods are impractical in carrying out direct 3D numerical simulations at high Reynolds numbers with detailed chemistry. Recently, the lattice Boltzmann method has emerged as an efficient alternative for numerical simulation of complex flows. Compared with conventional methods, the lattice Boltzmann scheme is simple and easy for parallel computing. In this study, we present a lattice Boltzmann model for simulation of combustion, which includes reaction, diffusion, and convection. We assume the chemical reaction does not affect the flow field. Flow, temperature, and concentration fields are decoupled and solved separately. As a preliminary simulation, we study the so-called counter-flow laminar flame. The particular flow geometry has two opposed uniform combustible jets which form a stagnation flow. The results are compared with those obtained from solving Navier–Stokes equations.     

氢-空气绕流无限长斜劈斜爆震波数值模拟

采用二维多组分有化学反应的Euler方程,考虑单步化学反应,采用有限反应速率模型,对斜爆震波进行计算,通过将数值模拟结果与实验结果对比,验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上,对氢空气绕流无限长斜劈的斜爆震过程进行了数值模拟,分析了斜劈角度对斜爆震波特性的影响。结果表明:当斜劈角度增大时,爆震波中的化学反应速率随之增大,相应的斜爆震波的角度也增加,波后的温度更高,同时波后法向马赫数减小。