激波与爆轰波对撞的数值模拟研究

用二阶精度NND差分格式和改进的二阶段化学反应模型模拟了爆轰波与激波的对撞过程,研究了不同强度入射激波对爆轰过渡区域的影响. 当对撞激波较弱时,透射爆轰波演变主要受流动膨胀作用的影响,可划分为对撞影响区、爆轰恢复区和稳定发展区3个阶段. 在爆轰恢复区和稳定发展区,前导激波压力经历一个过冲、然后向稳定爆轰过渡的过程,表现了爆轰波熄爆和再起爆的物理特征. 当对撞激波较强时,可燃混合气体的高热力学参数导致了更高的化学反应活化程度,形成了弱爆轰向稳定爆轰的直接转变.      

爆轰波与激波对撞的实验研究

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.      

圆柱形爆轰波的二维数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对圆柱形爆轰波的直接起爆和传播过程进行了二维数值模拟研究,拟分析起爆条件和初始压强对圆柱形爆轰波形成和传播的影响。研究发现,圆柱形爆轰波起爆成功向外传播的过程中,新的三波结构的生成标志着爆轰波进入稳定传播阶段。在起爆能量足够的情况下,起爆半径(曲率)的大小决定着三波结构初始形成时的数目和传播半径,起爆压强对其基本不产生影响;起爆半径大(曲率小)时,三波结构初始形成时的传播半径大、数目多,圆柱形爆轰波进入稳定传播阶段的传播距离长;数值模拟中,初始压强的提高,有助于圆柱形爆轰在较短的传播距离内进入稳定传播阶段。     

可燃气体中激波与障碍物作用在下游形成爆轰波的数值研究

对平面激波和单个矩形障碍物作用的过程进行了数值模拟,研究了反射产生的上行爆轰波在下游可燃气体中形成爆轰波的过程。数值结果表明,下游爆轰波形成过程主要有2种模式:爆轰波直接绕射和绕射波在上壁面反射,这和已有的实验结果是一致的。通过研究下游爆轰波的形成过程受入射激波马赫数、混合气体的压力和管道尺度的影响,分析了上游爆轰波向下游传播的波动力学过程,讨论了2种形成过程的作用规律和控制因素,阐明了下游爆轰波的形成规律。     

一点起爆半球形装药装置中散心爆轰波传播的数值模拟研究

运用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D,对一点起爆半球壳装药装置中散心爆轰波的传播过程进行数值模拟计算.对冲击波到达炸药和飞层各界面的波形的计算值与实验值进行了对比,两者符合较好,从而验证了该程序的准确性和有效性;对爆轰波的传播过程进行了分析研究,获得了一些散心爆轰波传播的规律性认识,为进一步研究散心爆轰波特性提供了数值分析基础.     

有限谱ENO格式在爆轰波数值模拟中的应用

使用有限谱ENO(EssentiallyNon Oscillatory)格式 ,采用V .P .Korobeinikov二步化学反应模型 ,对稀释的化学当量的氢气和氧气混合物中非定常自维持爆轰波进行了二维数值模拟 ,研究了波的产生和演化机理 ,分析了爆轰波的三波结构和传播过程。计算得到的爆轰波参数和结构与以前的计算和实验结果一致。研究表明 :有限谱ENO格式可以成功地模拟非定常自维持爆轰波。     

气相爆轰波传播过程中的自点火效应

基于基元反应模型和单步反应模型,对直管道中H₂-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间,并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明,胞格宽度与点火延迟时间成正比;爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知,爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配;当二者相匹配时,经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体,在短时间内实现了自点火,同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进,即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。     

爆轰波拐角传播三维数值模拟

为了研究爆轰波在拐角中的传播特性以及拐角爆轰低压流场现象,用LSDYNA 3D程序对三种常见的拐角装药的爆轰波传播特性进行了数值模拟,清晰显示了爆轰波因拐角处爆轰波传播面积的变化而产生的衰减 增长过程,讨论了侧向三通中爆速的变化情况,并得到了拐角处低压爆轰区的尺寸。     

爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4m的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。     

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman-Jouguet)理论和ZND(Zel'dovich,von Neumann,D?ring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.      

Two-dimensional reactive flow dynamics in cellular detonation waves

This investigation deals with the two-dimensional unsteady detonation characterized by the cellular structure resulting from trajectories of triple-shock configurations formed by the transverse waves and the leading shock front. The time-dependent reactive shock problem considered here is governed by a system of nonlinear hyperbolic conservation laws coupled to a polytropic equation of state and a one-step Arrhenius chemical reaction rate with heat release. The numerical solution obtained allowed us to follow the dynamics of the cellular detonation front involving the triple points, transverse waves and unreacted pockets. The calculations show that the weak tracks observed inside the detonation cells around the points of collision of the triple-shock configurations arise from interactions between the transverse shocks and compression waves generated by the collision. The unreacted pockets of gas formed during the collisions of triple points change form when the activation energy increases. For the self-sustained detonation considered here, the unreacted pockets burn inside the region independent of the downstream rarefaction, and thus the energy released supports the detonation propagation. The length of the region independent of the downstream is approximately the size of one or two detonation cell. Received 13 February 1998 / Accepted 13 August 1998     

激波绕射碰撞加速诱导爆轰的数值模拟

基于单步化学反应的Euler方程和对激波(爆轰波)、接触间断具有良好捕捉效果的Roe/HLL混合格式以及自适应网格技术,模拟了激波在方形管中与方块障碍物相互作用,并发生绕射碰撞来诱导爆轰的过程.结果表明,弱激波在绕经方块时,形成上、下绕射激波并在方块尾部发生碰撞,生成局部高温高压点,可加快爆轰的形成;而当管内阻塞比超过...     

Numerical simulation of detonation reignition in H $_2$-O $_2$ mixtures in area expansions

Time-dependent, two-dimensional, numerical simulations of a transmitted detonation show reignition occuring by one of two mechanisms. The first mechanism involves the collision of triple points as they expand along a decaying shock front. In the second mechanism ignition results from the coalescence of a number of small, relatively high pressure regions left over from the decay of weakened transverse waves. The simulations were performed using an improved chemical kinetic model for stoichiometric H-O mixtures. The initial conditions were a propagating, two-dimensional detonation resolved enough to show transverse wave structure. The calculations provide clarification of the reignition mechanism seen in previous H-O-Ar simulations, and again demonstrate that the transverse wave structure of the detonation front is critical to the reignition process. Received 16 July 1998/ Accepted 17 November 1998     

Analysis of the shock structures in a regular detonation

Time-dependent two-dimensional numerical simulations have been used to investigate the detailed shock structures and patterns of energy release in the regions of the triple points and transverse waves in a planar detonation. As the system of shock triple points evolves between collisions, they trace a well shaped cellular pattern characteristic of detonations in argon-diluted, low-pressure mixtures of hydrogen and oxygen. In the region of the triple points, the shock structure evolves continuously from a single Mach structure to a double Mach structure and finally to a complex Mach structure characteristic of spinning detonations. Most of the energy released in the region of the triple points. The amount of energy release increases as the triple point comes closer to a collision with a wall or another triple point. Just before the collision, there is a large region of energy release that covers the length of the interacting transverse waves. The result is a rectangular high-energy region which boosts the propagation of the new detonation cell.     

超音速来流中爆轰波衍射和二次起爆过程研究

预爆管技术被广泛地应用在爆轰波发动机的起爆过程中，但是在超音速来流中基于预爆管技术起始爆轰波的研究并未被广泛地开展。基于此，本文中数值研究了横向超音速来流对半自由空间内爆轰波的衍射和自发二次起爆、及管道内的衍射和壁面反射二次起爆两种现象的影响。数值模拟的控制方程为二维欧拉方程，空间上使用五阶WENO格式进行数值离散，采用带有诱导步的两步链分支化学反应模型。所模拟的爆轰波具有规则的胞格结构，对应于用惰性气体高度稀释过的可爆混合物中形成的爆轰波。结果表明:在半自由空间内，在本文所模拟的几何尺寸下，爆轰波并未成功发生二次起爆现象，但是爆轰波的自持传播距离随着横向超音速来流强度的增强而增加。在核心的三角形流动区域外，波面诱导产生了更多的横波结构；在管道内，横向的超音速来流在逆流侧对出口气流产生了压缩作用，能有效提高波面压力，因此反射后的激波压力也比较高。在同样的几何尺寸下，爆轰波在静止和超音速(Ma=2.0)气流中分别出现了二次起爆失败和成功两种现象，这是由于在超音速来流中化学反应面的褶皱诱导产生了横波结构，横波与管壁以及其他横波之间的碰撞提高了前导激波的强度，并最终促进了爆轰波在超声速流主管道内的成功起始。     

The nonlinear interaction of smooth travelling waves in an elastic string

It is shown that the collision of approaching weak travelling waves in a nonlinearly elastic leads to shock formation in finite time. Whereas the travelling waves are transverse, the shock is formed in the longitudinal waves generated by the collision.     

爆轰波对碰加载下平面金属样品动载行为实验研究

进行冲击波对碰加载简易平面金属Sn和W样品实验,采用X射线照相和激光干涉测速系统进行联合诊断,给出了2种材料冲击波对碰区表面微喷及主体破碎物质的直观图像,研究了Sn和W样品对碰区动力学行为,并比较分析2种材料对碰区特征的异同,给出了定性物理解释,实验结果可为爆轰波对碰加载下材料动力学特性的理论研究提供数据支撑。     

Analytical study of idealized two-dimensional cellular detonations

In this study, the idealized two-dimensional detonation cells were decomposed into the primary units referred to as sub-cells. Based on the theory of oblique shock waves, an analytical formula was derived to describe the relation between the Mach number ratio through triple-shock collision and the geometric properties of the cell. By applying a modified blast wave theory, an analytical model was developed to predict the propagation of detonation waves along the cell. The calculated results show that detonation wave is, first, strengthened at the beginning of the cell after triple-shock collision, and then decays till reaching the cell end. The analytical results were compared with experimental data and previous numerical results; the agreement between them appears to be good, in general. Received 13 February 2001 / Accepted 2 August 2001