聚心火焰在共振腔作用下引发爆轰的数值研究

 基于带化学反应的二维轴对称Euler方程，利用带有Superbee限制函数的波传播算法，对共振腔中的氢气-空气预混气的聚心燃烧进行了数值模拟，讨论了共振腔不同抛物面对起爆的影响。数值结果表明，在开始阶段，燃烧诱导的激波在轴心、火焰和固壁的反射，使火焰失稳，随后共振腔中的抛物壁面上产生一定频率和强度的反射激波，不断穿越火焰，使火焰进一步失稳，加剧了燃烧速度，最终导致爆轰的形成。同时，火焰在与激波的作用过程中，形状扭曲变形，呈封闭端小敞口端大的扁平头部蘑菇云。共振腔抛物面的不同形状引起激波聚焦位置的变化，会影响激波和火焰的相互作用，使起爆提前或推迟，甚至不起爆。     

激波和火焰相互作用的数值模拟

本文应用基元反应模型和NND格式,数值研究了充满可燃预混气的二维管道中,激波和火焰的相互作用过程.计算中氢氧混合物的化学反应考虑了9种组分20个反应式,讨论了激波作用于火焰时,火焰的变化以及缓燃转爆震(DDT)的过程,分析了不同激波马赫数对激波和火焰作用过程的影响.结果表明:激波与火焰作用能触发爆震波的产生,爆震波是由管壁上形成的爆震中心引发.     

激波与火焰作用的实验与理论研究

采用高速摄影技术拍摄了等当量比的甲烷/空气预混气环境下,火焰与激波相互作用的时序照片,对实验结果进行了分析讨论。使用基于带化学反应的N-S方程和热力学数据,利用改进的VLS格式,对等当量比条件下甲烷/空气预混气中激波与火焰的相互作用进行了数值模拟,并利用光学知识,进行了计算光学的数值模拟。实验结果与数值计算结果进行了比较,两者符合得较好。     

基于AdapChem方法的甲烷预混和非预混燃烧数值计算

采用自适应化学理论AdapChem的方法对两种CH4/空气部分预混、非预混火焰的燃烧过程开展了数值模拟工作.计算得到了两种燃烧工况下,几种重要的主量成分、非主量成分的浓度值;同时对反应放热和HCO之间的潜在关系进行了分析.通过对两种工况下模拟结果的比较,AdapChem方法合理预报了甲烷预混和非预混燃烧过程的各种物理化学特性,并达到了节约计算时间的目的.     

超黏性激波捕捉技术在激波/火焰相互作用问题中的应用

本文基于时空三阶精度的两步泰勒伽辽金有限元高阶格式(TTGC)上实现了一种超黏性激波捕捉技术.该激波捕捉技术通过引入网格相关的体积黏性项和剪切黏性项以提高对激波/湍流相互作用过程的捕捉精度和可靠性.利用经典的一维SOD激波管算例和一维Shu-Osher算例对此激波捕捉技术进行了数值验证。并将该技术用于模拟了激波与火焰的相互作用问题,分析了火焰的演化过程及激波/边界层相互作用过程,揭示了分叉结构对火焰传播特性的影响.研究表明超黏性激波捕捉技术能够有效捕捉超声速反应流中的激波、湍流和边界层等复杂流动信息,同时能很好地控制激波附近的数值耗散现象.     

入射和反射激波诱导重气泡变形和失稳的三维数值研究

 采用大涡模拟方法,对入射激波及其反射激波诱导球形重气泡的变形失稳过程进行了三维数值模拟,利用已有实验验证了计算模型的可靠性,重点考察了反射激波与已经失稳的气泡界面的再次作用,讨论了涡环的形成及其三维失稳的过程。研究结果显示：入射和反射激波与球形重气泡作用产生斜压效应,会在流场中产生旋转方向截然相反的多个涡环;反射激波诱导的涡环具有较小的强度,故更加容易失稳,甚至能完全形成具有流向涡量的复杂小尺度涡结构。     

基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴变形过程仿真

应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)法对黏性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进行了比较.分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果. 关键词： 不可压缩光滑粒子动力学 黏性液滴 自由面流动 数值仿真     

反应性RM不稳定混合特性研究: 反应活性与介质不均匀性的影响

预混火焰界面的RM（Richtmyer-Meshkov）不稳定现象在自然界和工程实践中十分常见,但目前关于反应性RM不稳定的研究主要集中于均匀介质的情况,而实际中的预混气体往往是非均匀的,因此开展非均匀介质中火焰界面演化和混合特性的研究十分必要。采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了预混火焰界面在入射激波及反射激波作用下的RM不稳定过程,考察了化学反应活性以及介质非均匀性对RM不稳定过程中火焰界面混合特性的变化规律的影响。结果表明,在入射激波作用后的阶段,在均匀介质中的火焰界面形态呈现典型的"钉-帽-泡"结构,化学反应活性越强,界面的"泡"结构和"钉-帽"结构增长越快;而在非均匀介质中,火焰界面形态则呈现"钉-钉"结构,界面在流向速度差的诱导下被更大程度地拉伸。在第一次反射激波作用后的阶段,混合区的增长速率不依赖于反应活性和均匀性,仅与流动特性有关。时间尺度的研究表明,大尺度流动是反应性RM不稳定的主导因素,其次是化学反应,最后是小尺度混合,化学反应的强化会抑制大尺度流动,非均匀性会强化大尺度流动。      

激波与SF6球形气泡相互作用的数值研究

本文基于大涡模拟方法, 采用高阶精度格式对平面入射激波以及不同反射距离条件下的反射激波与SF₆重气泡相互作用过程进行了三维数值模拟. 数值结果清晰地显示了SF₆重气泡在激波作用下诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性过程, 揭示了入射激波以及反射激波在气泡界面聚焦诱导射流的过程, 详细分析了不同反射距离条件下反射激波与SF₆重气泡作用过程及流场结构.     

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明:当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.     

波后滑移线引起的界面变形和R-M不稳定性

实验研究复杂波形结构引起平面界面变形和反射激波冲击下的R-M不稳定性的问题.在竖直激波管中生成稳定的N₂/SF₆平面界面,激波在圆柱绕射后,冲击平面界面,由此研究复杂激波引起的界面变形.平面激波在圆柱绕射后的流场,演化成具有初始入射波、三波点、弯曲反射波、Mach波和Mach反射产生的滑移线等复杂结构.研究复杂结构激波对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.绕柱激波冲击后,平面界面仅在两对滑移线内部发生变形.绕柱激波冲击界面后,两对滑移线将界面分成"内界面"和"外界面",界面变形形态同滑移线和界面相交位置相关.反射激波二次冲击下,界面扰动的增长与Jacobs-Sheeley涡量模型较吻合.      

Experimental observations of flame acceleration and transition to detonation following shock-flame interaction

Observations are presented from experiments where laminar flame bubbles were perturbed successively by incident and reflected shock waves. Significant flame acceleration was observed in many instances, with the flame closely coupled to the reflected shock wave. The coupled waves are interpreted using a generalized Hugoniot analysis. As the incident shock velocity increased, detonation emerged near the highly convolved reaction zone. Prior to detonation the external visual attributes of the combustion fronts appear identical to turbulent combustion. However, they cannot be due to classical isotropic turbulence. The overall conclusion is that the observed enhancement of combustion is driven by chemi-acoustic interactions and related gas-dynamic effects. An analysis of the prevailing thermodynamic states suggests that thermal auto-ignition chemistry could also play a significant role prior to the onset of detonation.     

激波冲击火焰的流动拓扑研究

为深入研究激波冲击火焰现象的内在机制,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对现象进行数值研究,通过对速度梯度张量特征方程的分析证明Okubo-Weiss函数适用于可压缩流动,并重点分析火焰区的流动拓扑特性.结果表明,波后火焰区内Okubo-Weiss函数积分量基本守恒,但在火焰区内部和表面具有截然不同的流动状态,且火焰发展基本不受流场可压缩性的影响;波后火焰区的流动拓扑分类主要以焦点和鞍点为主,意味着流场中变形占主导.     

激波与SF_6梯形气柱相互作用的数值模拟

基于大涡模拟,结合五阶加权基本无振荡格式以及沉浸边界法对平面入射激波与两种SF_6梯形重气柱的相互作用过程进行了数值模拟,数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的两种梯形重气柱的变形过程,详细分析了入射激波在两种梯形重气柱界面发生反射、折射、绕射以及折射激波与透射激波在气柱内部来回反射的过程,并研究了该过程中所产生的复杂波系结构,对两种梯形气柱变形过程中与周围空气的混合过程进行了分析;通过记录气柱界面四个特征尺寸随时间的变化对两种梯形气柱界面的不同演化过程进行了定量分析。     

Pressure fluctuations within a turbulent gas flow and their interaction with a shock wave

The interaction of a shock wave with a turbulent air flow is investigated experimentally. The turbulence was created with the aid of a grid. On its reflection from a perforated disc the wave propagated through a turbulent flow. The Mach number of the incident shock was equal to 1.9–4, the Mach number of the reflected wave was equal to 1.6–2.5. We found the autocorrelation functions of pressure fluctuations and their phase diagrams. The turbulent length scale of pressure fluctuations behind the incident shock was determined. The appropriate quantity behind the reflected wave is less of an order as compared with the previous case. It is established that the pressure behind the reflected wave in the turbulent flow is 7–8% higher as compared with the pressure in the laminar flow, if other conditions are the same.     

Grid turbulence and its interaction with a shock wave

Turbulent fluctuations of density and pressure in air and argon in a shock tube have been investigated as well as their interaction with a shock wave reflected from a perforated plate at the end of a shock tube. Air and argon were used as test gases. The Mach number of the incident shock was 1.9–3.9, that one of the reflected shock was 1.4–2.4. The turbulent length scale behind the incident shock was measured as well as that one behind the reflected shock. The last value is a few times less than the former. It was established that there is overpressure in the turbulent flow behind the reflected shock. The value of the overpressure is 12% in argon and 9% in air.     

Generation of flexural waves in plates by laser-initiated airborne shock waves

Results of the semi-analytical modelling of the interaction of laser-initiated airborne shock waves with an infinite horizontally positioned elastic plate are presented. The impact of the airborne shock waves on the plate is approximated by a cylindrically diverging surface force resulting from the pressure of the incident and reflected shock waves. This force is then represented in the wavenumber-frequency domain by means of Hankel and Fourier transforms that are carried out numerically so that the interaction problem can be solved using the Green’s function method. The resulting frequency spectra and time histories of generated flexural wave pulses are calculated for different values of laser pulse energy and for different heights of the laser beam focusing above the plate surface. The theoretical results obtained are compared with the results of laboratory measurements of the interaction of laser-generated acoustic shocks with a large plastic plate. The comparison shows reasonably good agreement between the semi-analytical predictions and data.