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。     

氢氧混合气体爆轰波的真实化学反应模型数值模拟

采用高精度的ENO格式和基于基元化学反应的真实化学反应模型求解氢氧混合气体一维爆轰波的精细结构。采用直接起爆方法得到稳定传播的爆轰波 ,计算的爆轰波阵面参数和实验相当符合。对爆轰波反应区化学反应的研究表明 ,参与反应的不同组分具有不同类型的变化特征。网格尺寸影响的研究表明 ,计算结果的精度随着网格尺寸的增加而增加 ,并能保持较好的收敛性。移动网格研究结果表明 ,网格运动速度和爆轰速度接近时 ,两者的相互作用对计算结果产生一定影响。     

有限谱ENO格式及其应用

首先对王健平提出的有限谱法^[1-3]做了进一步的理论研究，发现了一些新的有限谱法的插值基函数组，并互将有限谱法应用在ENO格式中，构造了有限谱ENO计算格式，然后通过对一维Euler方程的几个经典的模型问题和二维湍流与弱激波相互作用问题的数值计算，并且与理论解或准精确解进行比较分析，从而表明了此格式对于激波和其他间断具有较高的分辨率，在激波附近基本上没有明显的数值振荡，而且对于流场中的细致结构也具有相当高的精度。     

基于主-次激波在变截面管中传播的数值模拟

采用二阶精度的单调迎风中心格式(MUSCL)和非结构自适应网格技术与有限体积形式,对轴对称变截面管道中基于主-次的爆轰波传播过程进行了数值模拟。结果表明,基于主-次的爆轰波传播至目标区时,冲击波流场均匀、稳定,波形良好;适当提高驱动段的爆炸能量,目标区能够获得预想的冲击波超压值和作用时间。     

弯管内爆轰波传播的流场显示和数值模拟

采用激光纹影系统拍摄了爆轰波在不同位置的流场照片. 用二阶附加半隐的龙格- 库塔法和五阶WENO格式 分别离散欧拉方程时间和空间导数项，用基元反应来描述爆轰化学反应过程，获得了压力、 温度、典型组元质量分数分布及数值胞格结构和爆轰波平均速度. 结果表明：受壁面稀疏波 和压缩波影响，爆轰波阵面发生畸变. 但由于弯管曲率半径较大，未出现爆轰波熄灭. 靠近 凹壁面的激波强度大于凸壁面侧，且凹壁面侧的反应区宽度较凸壁面侧要窄. 弯管出口处的 三波点数目较入口处减少，爆轰波衰减. 在出口直段，受扰动的爆轰波可恢复为自持爆轰波. 爆轰波流场、胞格结构、平均爆轰波速度的计算和实验结果定性一致.     

三维气相爆轰动态并行计算程序设计与开发

在三维气相爆轰数值研究中，网格精度和计算域的规模导致网格数占有非常庞大的计算资源，进而给数值模拟带来了极大的挑战。本文针对这一难题，采用5阶WENO格式对带化学反应Euler方程组进行空间离散，基于MPI（MessagePassingInterface）并行模式开发了高精度动态并行代码，并对爆轰波在带有障碍物的三维方形管道中的传播过程进行计算。计算结果表明，高精度动态并行计算能够很好的模拟三维气相爆轰波在大尺寸管道中的传播，不仅提高了计算效率，而且提高了爆轰波阵面的分辨率。与高精度静态并行相比，高精度动态并行计算减少了界面数据通信时间，从而进一步提高了计算效率。因此，高精度动态并行程序为探究三维气相爆轰新的物理机制提供有效的手段。     

粘性及热传导对于爆轰波的影响

对在满足化学当量比的氢氧混合气体中传播的一维和二维连续旋转爆轰波进行了数值模拟,以此检验粘性和热传导对爆轰波发展和结构的影响。模拟分别基于NS和Euler控制方程,采用二步化学反应模型,对流项采用5阶MPWENO格式求解,时间方向采用3阶TVD Runge-Kutta法,粘性项采用中心差分格式进行离散。结果表明:粘性和热传导不会对爆轰波流场的基本流场结构产生影响;在具体数值上,粘性和热传导的影响值在爆轰波、斜激波、接触间断等速度或温度剧烈变化处相对较大,但总体上其影响量均比爆轰波流场的步进值小三个量级。因此,在没有壁面效应的一维爆轰和二维连续旋转爆轰波流场中,粘性和热传导项作为很小的扰动存在,对爆轰波的流场结构和数值大小基本不会产生影响。     

松弛方法在计算凝聚炸药爆轰问题中的应用

利用松弛近似，将非线性的凝聚炸药爆轰控制方程转化为线性的松弛方程组，并采用五阶WENO格式和五阶线性多步显隐格式对线性松弛方程组进行空间方向和时间方向的离散，由此建立具有高精度和高分辨率性质的计算凝聚炸药爆轰的松弛方法。建立的松弛方法可以避免求解Riemann问题及计算非线性通量的Jacobi矩阵，同时无需分裂处理反应源项。通过对凝聚炸药的平面一维定常爆轰波结构及球面一维聚心、散心爆轰起爆和传播过程的数值模拟，验证了所建立的松弛方法能够很好地计算凝聚炸药爆轰问题。     

激波管双爆轰驱动段性能的数值模拟研究

采用频散可控的耗散格式(DCD)，求解Euler方程和一种改进的二阶段化学反应模型， 对氢氧反向-正向双爆轰驱动段激波管进行了数值模拟. 计算结果表明：当辅驱动段与主驱动 段初始压力比小于临界值时，Taylor波仍会出现，但波扇夹角较单一前向爆轰驱动段小，入 射激波马赫数衰减率变小；当初始压力比等于临界值时，主驱动段中的Taylor波完全被消除， 入射激波马赫数不再衰减. 当初始压力比大于临界值时，在主驱动段中能产生过驱动爆轰波， 不仅Taylor波被完全消除，而且驱动能力较单一前向爆轰驱动段强.     

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象，在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值，构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明，该方法具有高精度、基本无振荡的特点，能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好，相对误差小于1.1%。     

爆轰波与激波对撞爆轰状态演化机理研究

对当量比氢氧混合气体中爆轰波与激波的正面对撞过程进行了二维数值研究. 采用了二阶精度NND差分格式与改进的两阶段化学反应模型,并以数值x-t纹影图以及烟迹图记录了对撞过程. 数值研究表明,透射爆轰波受到膨胀影响首先会衰减,甚至产生局部解耦现象;然后由于三波点的碰撞又能再次重新耦合. 在爆轰波对撞过程中,由于燃烧不均匀性而产生的弱横波对爆轰胞格的形成起着重要作用.     

Periodic oscillation and fine structure of wedge-induced oblique detonation waves

An oblique detonation wave for a Mach 7 inlet flow over a long enough wedge of 30 turning angle is simulated numerically using Euler equation and one-step rection model.The fifth-order WENO scheme is adopted to capture the shock wave.The numerical results show that with the compression of the wedge wall the detonation wave front structure is divided into three sections:the ZND model-like strcuture,single-sided triple point structure and dual-headed triple point strucuture.The first structure is the smooth straight,and the second has the characteristic of the triple points propagating dowanstream only with the same velocity,while the dual-headed triple point structure is very complicated.The detonation waves facing upstream and downstream propagate with different velocities,in which the periodic collisions of the triple points cause the oscillation of the detonation wave front.This oscillation process has temporal and spatial periodicity.In addition,the triple point trace are recorded to obtain different cell structures in three sections.     

锥形长药柱水下爆炸冲击波参数计算方法

为了计算锥形长药柱水下爆炸冲击波压力,以及研究长脉宽冲击波的传输特性,基于叠加原理建立了冲击波压力-时间曲线的计算方法,通过实验验证了该方法的有效性,在此基础上分析了锥形长药柱不同方位冲击波压力的分布规律。研究结果表明:锥形长药柱产生的冲击波压力具有各向异性,在起爆端一侧形成的是具有厚波头特征的低幅值长脉宽冲击波,在装药径向形成的是接近指数衰减的高幅值冲击波,而在远离起爆端的冲击波压力幅值和脉宽则介于前两者之间。锥形长药柱与球形装药冲击波分布的差异是由于装药形状和起爆方式的改变所导致的,由于装药不同部位起爆的时间差,导致水下爆炸冲击波在不同位置的叠加效果存在明显差异,药柱周围流场中形成的冲击波压力具有方向性。利用提出的计算方法得到的计算结果与实验结果和数值模拟结果吻合较好,研究结果可为锥形长药柱水下爆炸冲击波威力场和毁伤评估提供参考和依据。     

带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟

基于三波理论和Whitham方法对带隔板装药爆轰波相互作用后发生的正规反射和非正规反射进行了理论分析，给出了爆轰波发生马赫反射时临界入射角和马赫杆增长角等参数的变化规律，提出了马赫杆高度的计算模型。基于凝聚炸药爆轰Jones-Wilkins-Lee(JWL)模型和冲击起爆的Lee-Tarver模型，利用有限元计算软件对带隔板装药爆轰波的传播过程进行了数值模拟。结果表明，发生马赫反射后，随着爆轰波的传播，马赫杆的高度不断增加。数值模拟结果与理论计算结果吻合较好，说明本文中采用的理论模型和数值模拟方法能够较准确地描述带隔板装药爆轰波马赫反射的传播过程。     

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.     

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明，标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波，爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构；爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点，而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动；可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响，但是初始温度的影响大得多。     

A numerical scheme for strong blast wave driven by explosion

After the detonation of a solid high explosive, the material has extremely high pressure keeping the solid density and expands rapidly driving strong shock wave. In order to simulate this blast wave, a stable and accurate numerical scheme is required due to large density and pressure changes in time and space. The compressible fluid equations are solved by a fractional step procedure which consists of the advection phase and non‐advection phase. The former employs the Rational function CIP scheme in order to preserve monotone signals, and the latter is solved by interpolated differential operator scheme for achieving the accurate calculation. The procedure is categorized into the fractionally stepped semi‐Lagrangian. The accuracy of our scheme is confirmed by checking the one‐dimensional plane shock tube problem with 10³ times initial density and pressure jump in comparison with the analytic solution. The Sedov–Taylor blast wave problem is also examined in the two‐dimensional cylindrical coordinate in order to check the spherical symmetry and the convergence rates. Two‐ and three‐dimensional simulations for the blast waves from the explosion in the underground magazine are carried out. It is found that the numerical results show quantitatively good agreement with the experimental data. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

A holographic interferometric study of shock wave focusing in a circular reflector

A holographic interferometric study was made of the focusing of reflected shock waves from a circular reflector. A diaphragmless shock tube was used for incident shock Mach numbers ranging from 1.03 to 1.74. Hence, the process of reflected shock wave focusing was quantitatively observed. It is found that a converging shock wave along the curved wall undergoes an unsteady evolution of mach reflection and its focusing is, therefore, subject to the evolution of the process of shock wave reflections. The collision of triple points terminates the focusing process at the geometrical focus. In order to interprete quantitatively these interferograms, a numerical simulation using an Eulerian solver combined with adaptive unstructured grids was carried out. It is found numerically that the highest density appears immediately after the triple point collision. This implies that the final stage of focusing is mainly determined by the interaction between shock waves and vortices. The interaction of finite strength shock waves, hence, prevents a curved shock wave from creating the infinite increase of density or pressure at a focal point which is otherwise predicted by the linear acoustic theory.     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。