旋转爆轰胞格结构的实验和数值研究

对爆轰波在环形圆管(预混气体为2H2/O2/Ar)内的传播分别进行了实验和数值研究。实验研究 采用烟迹板记录了环形圆管内爆轰波的胞格结构。数值计算利用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶 WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用基元反应简化模型描述化学反应过程,得到了旋转 爆轰的流场及数值胞格结构。实验和数值模拟结果表明:爆轰波在圆环管中传播时,由于圆环的内壁发散、外 壁收敛,圆环内侧爆轰强度小于外侧,胞格尺寸较大;内侧OH 的分布区域大于外侧,浓度较低。旋转爆轰的 这种性质,使爆轰波能以稳定的角速度绕轴旋转。     

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.     

改进WENO格式及其在爆轰计算中的应用

对已有的一种改进型WENO-M格式进行了理论上的修正,得到了新的WENO权函数。与原WENO-M格式相比,新得到的WENO-M-P格式减少了约9%的CPU计算时间,同时也保证了在一阶极值点处不降低精度（经典的WENO格式在一阶极值点处精度下降）,仍然保持5阶精度。为了验证修正后的格式,采用二步反应模型数值模拟了几组一维和二维爆轰：在一维爆轰模拟中,对比了WENO-M格式和WENO-M-P格式在一定温度下的最低起爆压强以及一定压强下的最低起爆温度;在二维旋转爆轰的模拟中,对比了WENO-M格式和WENO-M-P格式的计算效果。结果表明：在同样的起爆温度下,WENO-M 格式和 WENO-M-P 格式的最低起爆压强均高于 WENO格式,但WENO-M-P格式比WENO-M格式的最低起爆压强低;三种格式在不同压强下的最低起爆温度相同;WENO-M-P格式具有和WENO-M格式一样的计算效果,优势是节省了计算时间。     

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。     

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。     

一种鲁棒的HLLC格式及其稳定性分析

精确捕捉接触波和剪切波的Godunov型数值方法，如流行的HLLC格式，在模拟高超声速流动问题时会出现激波异常现象。对HLLC格式进行稳定性分析发现，流体主流方向的扰动都能有效衰减，但是横向的密度与剪切速度的扰动不会衰减。具有特殊对称性的二维Sedov爆轰波问题证明了横向通量和不稳定现象之间的密切联系。利用压力比和马赫数来探测数值激波层亚声速区的横向网格界面，并且在该界面的数值通量上增加熵波粘性和剪切波粘性来构造一种激波稳定的HLLC格式。分析表明，在熵波粘性和剪切波粘性的作用下，横向的所有扰动都会衰减。一系列数值测试证明了新格式不仅可以成功地抑制各类激波异常现象，还保留了原HLLC格式低耗散性的优点。     

环形方管道中爆轰胞格的三维研究

通过实验和三维数值模拟研究了爆轰波在环形管道内的传播。实验采用烟迹板记录了爆轰波的胞格结构。数值模拟基于带化学反应的三维Euler方程,采用五阶精度的WENO格式捕捉激波,采用具有TVD性质的三阶Runge-Kutta法处理时间项,并结合并行技术,对爆轰波的传播进行了数值研究。结果表明,环形管道外壁为收敛壁面,由于其对流场的压缩效应,外壁面及附近的胞格较小,且较均匀。而内壁为发散壁面,其对流场起稀疏效应,内壁面及附近的胞格较大,且呈周期性变化。同时, 不同壁面的胞格结构均出现了拍波(slapping wave),其形状呈弯曲的折线。     

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。     

激波诱导火焰失稳与爆轰的条件研究

采用九阶WENO和十阶中心差分格式数值求解激波与火焰作用过程,考察了激波强度、火焰尺寸对激波与球形火焰作用过程的影响。结果表明,增大激波强度或火焰尺寸均可在流场中引发爆轰,但激波强度的影响更大,并且其引发的爆轰可使火焰迅速膨胀,放热率提高,从而影响燃烧特性;此外,爆轰波传播过程中会迅速消耗可燃预混气,合并原有的反射激波,并在流场中形成局部高压区,极大地改变流场结构。     

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。