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。     

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

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。     

二维拟定常爆轰波反应区的初步研究

研究由现代爆轰渐近分析理论建立的关于二维拟定常爆轰波反应区的控制方程组，用数值积分方法求解该方程组，得到爆轰波反应区内压力、粒子速度、化学反应度随时间变化的规律。对乳化硝铵、PBX-9404和TATB炸药进行了计算，得到比较满意的结果。     

动态存储方法在气相爆轰波数值模拟中的应用

为减少反应流计算花费的时间,采用动态存储建立热力学数据表（In situ adaptive tabulation, ISAT）的方法来取代反应流计算中化学反应的直接积分（Direct integral, DI）,并针对气相H2/O2爆轰波的传播过程进行了数值模拟。采用两种不同的ISAT误差放大判据对一维爆轰波的压力、温度及组分变化进行了计算,并和DI的结果进行了比较以考察其计算精度。此外,还探讨了ISAT方法的效率。计算结果表明,和DI方法相比,在爆轰波传播计算中ISAT方法计算误差小于3％,化学反应计算速度提高了8倍。     

爆轰波在楔面上反射数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在楔面反射进行了数值模拟,计算中氢氧混合物的化学反应采用了8种组分20个反应方程式,在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法,模拟了爆轰波在楔面反射由马赫反射向规则反射转变的过程,得到了反射转变临界角,同时考虑了初始压力和组分的影响,并和实验及理论分析结果进行了比较,结果是令人满意的。     

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。     

两相爆轰波的松弛结构

两相爆轰波的松弛结构明显区别于均相爆轰,除需考虑化学反应的影响外还需考虑两相流效应。本文的理论分析表明,化学反应效应和两相流效应对爆轰波松弛区内某些参数变化的影响是一对矛盾因素,这使得松弛区内的参数分布呈较为复杂的形态,均相爆轰中这类分布曲线往往是单调变化的。根据作者提出的云雾和粉尘爆轰模型所进行的计算表明理论分析与计算结果所呈现的态势一致。 文中还讨论了两相爆轰波的C-J条件,Rayleigh方程和Hugoniot方程,并根据计算绘制了Rayleigh曲线和Hugoniot曲线,这从另一侧面反映了两相爆轰波松弛结构的特征。     

CE/SE方法在多管爆轰流场并行计算中的应用

应用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对二维非结构网格,发展了一套求解化学反应流场的并行程序。采用带扩张-收敛喷管的多管脉冲爆轰发动机模型,把计算域分成若干子域进行并行求解。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对恰当化学当量比混合的氢气和氧气在单爆轰管内的起爆和向多管传播的过程进行了数值模拟。计算结果表明:CE/SE方法能很好地捕捉爆轰流场的精细结构,结果与相关文献符合良好;单管产生的爆轰波对旁通爆轰管的流场结构有很大的影响,能引爆其中的可燃气体。     

非理想爆轰产物流场的程序燃烧计算法

研究了用程序燃烧法计算非理想爆轰时引进不真实反应速率和人为粘性对化学反应区终点处参数的影响,证实不会引起流体力学波和程序燃烧波的分离。还给出了一般炸药状态方程情况的爆速曲率关系和对化学反应区终点参数计算误差的估计。     

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.     

驻定斜爆轰波并行数值模拟

采用多组分化学反应Euler方程组对驻定在高速飞行弹丸上的斜爆轰波流场进行了数值模拟。计算中分别采用TVD格式和基元反应模型,并基于并行编程模型MPI（message passing interface）实现了非结构网格上的并行计算,对流项和化学反应项用时间分裂法进行处理。计算结果表明并行计算能有效地提高计算速度,扩展计算规模,为进一步研究超驱爆轰推进技术奠定基础。     

简化CH4/O2/N2基元反应模型在爆轰模拟中的应用

基于改进的全耦合TVD格式和简化的基元化学反应模型,建立了二维可燃预混合气爆轰波传播过程的模型并编制了相应的CFD程序,对CH4／O2／N2预混气爆轰波的形成和传播进行了数值模拟。使用不同的计算初始条件来考察模型的计算模拟能力,计算结果表明,该模型能够精确捕捉爆轰波及其波后的反射过程,同时,也能够预测不同计算初始条件下爆轰波的传播轨迹。计算结果与相同条件下CJ爆轰理论模型的计算结果进行了比较,两者符合较好,这表明简化的CH4／O2／N2机理能够较好地应用于可燃气爆轰过程的数值计算中。     

直管内胞格爆轰的基元反应数值研究

基于基元反应和二维欧拉方程，对直管内胞格爆轰进行了数值模拟。采用5阶WENO(weighted essentially nonoscillatory scheme)求解对流项，采用2阶附加半隐的龙格-库塔法处理化学反应源相引起的刚性。获得了密度、压力、温度和典型组元质量分数流场及数值胞格结构等。结果表明:网格精度的差异明显影响胞格的规则性和爆轰的平衡模数，随着网格尺度的减小，胞格由不规则变为规则。预混气组成、初压、初温及管道宽度给定，三波点数收敛为确定值。足够强度的初始扰动可再现胞格爆轰，最终形成的自持胞格爆轰模数与初始扰动的形状、大小、位置均无关。沿胞格中心线，爆轰波速度变化范围为0.88DCJ~1.5DCJ，爆轰波平均速度与CJ爆轰速度仅偏差0.88％。峰值压力与初压之比为14~50。计算爆轰波平均速度、胞格宽长比与实验值基本一致，但计算胞格宽度比实验值略小。数值模拟加深了对横波的产生和发展、未反应气囊、爆轰胞格的二次起爆等胞格爆轰特性的认识。     

临界爆轰的稳定条件和螺旋爆轰波

本文应用耗散结构热力学理论和微扰的方法,研究临界爆轰波对二维扰动的稳定性问题。在忽略粘性、热传导、浓度扩散、外力和交叉效应的情况下,作出了扰动在爆轰波结构内传播的稳定性判据。对Arrhenius反应率,当化学反应活化能E大于某一临界值E_c之后,对反应率随温度增加而增加的放热反应,临界爆轰波对二维扰动是不稳定的,扰动的振幅在反应燃烧区内随时间的增加而增长,直至扰动最后离开爆轰波结构进入波后产物区。当考虑了粘性的影响之后,扰动振幅的增长和衰减依赖于扰动本身的频率,在反应放热量超过某临界值后,频率愈小亦即扰动波长愈长的扰动振幅,随时间增长愈快,以致最长波长的扰动增长掩盖了其它波长的扰动,或者只有最长波长的扰动振幅维持不变,其它波长的扰动振幅都逐渐衰减,最后形成有规则的螺旋爆轰波。所得结果当忽略化学反应以及粘性对扰动传播相速度的微小影响之后,结论与N.Monson和J.A.Fay等所作的声波理论结果相一致,比较成功地解释了螺旋爆轰的一些实验现象。     

气体-燃料液滴两相系统爆轰的数值模拟

用两相流体力学模型对气体 燃料液滴系统进行了研究。数值模拟了点火后两相系统爆轰波的发展过程，得到爆轰波的结构和参数。数值模拟结果表明气体 燃料液滴系统爆轰波有较宽的反应区，因而两相爆轰波的曲率对爆速的影响效应十分明显。进行了燃料液滴尺寸对爆轰波的结构和参数的影响的数值模拟。除了很小的液滴外，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间不能完全气化。随着液滴尺寸的增加，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间释放出的能量随之减少，爆轰参数也随之下降。     

硝基甲烷中爆轰波绕射的实验研究和数值模拟

叙述了对硝基甲烷中拐角分别为６０、９０、１２０三种情形的爆轰波绕射现象进行的实验研究。实验上观测到爆轰波绕过９０、１２０拐角时有未反应的死区，而且拐角增大时死区变大，绕射爆轰波可以近似地按爆心在拐角顶点附近变化的散心爆轰波看待。从数值模拟和理论分析得出，爆轰波绕射时硝基甲烷的化学反应不同于正常爆轰，拐角顶点附近各处反应速率不同，出现部分反应区和未反应区。     

旋转爆轰的三维结构和侧向稀疏波的影响

基于带化学反应的三维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对圆环形燃 烧室内的旋转爆轰进行了数值模拟,讨论了旋转爆轰波的三维结构及侧向稀疏波对旋转爆轰波阵面的影响。 数值结果表明,爆轰波能够以旋转方式沿预混气层稳定传播。在侧向稀疏波作用下,爆轰波阵面发生变形。 与理想的C-J爆轰相比,爆轰波强度和爆轰参数都有所下降。     

周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究

气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆, 稳态传播和失效机制都极为复杂, 很多物理机制尚不明确, 是当前爆轰物理领域研究的热点和难点. 本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究, 非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现, 重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响. 计算结果表明, ZND爆轰波在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两种竞争性因素: 一是爆轰波内在的不稳定性; 二是温度扰动的波长和幅度, 前者是内因, 后者是外因. 温度扰动的存在抑制横波的发展, 延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化, 并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象. 这说明, 温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展, 但是不能够终止这一过程. 温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲, 并在横波附近存在较弱的三波点结构, 即温度扰动可增加爆轰波固有的不稳定性, 改变爆轰波阵面的传播机理. 幅值较大的人工温度扰动可抑制爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性. 爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性.      

气相爆轰波在半圆形弯管中传播现象的实验研究

对气相(2H2/O2/Ar系统)爆轰波在半圆形弯管中的传播现象进行实验研究。用烟迹膜记录了弯管中爆轰波的胞格结构,采用压电传感器测量了沿弯管内外母线指定点的压力时间曲线,得到了爆轰波沿弯管内、外母线的平均速度和胞格尺寸的变化。结果表明:当平面爆轰波进入弯管后,受壁面的几何形状作用,诱导激波阵面发生弯曲。沿诱导激波阵面,自内母线到外母线方向,激波强度逐渐增大。同时,爆轰波后的化学反应区也受到影响,胞格尺寸发生较明显的变化。在本文条件下,当初压p08.00kPa,受扰动的爆轰波在弯管出口下游仍恢复为强度不变的稳定爆轰。胞格记录的三波点迹线表明:受扰动的爆轰波在出口段发生了马赫反射。实验结果还表明:当p0降至5.33kPa,平面稳定爆轰波经过半圆形弯管后,其强度发生衰减并直至出现熄灭。