燃烧系统的离散Boltzmann建模与模拟研究进展

燃烧系统的诸多模拟依托于流体建模, 离散Boltzmann方法(discrete Boltzmann method, DBM) 是近年来发展起来的一种新的流体介观建模方法. 本文简要评述DBM发展的两个方向——Navier-Stokes等偏微分方程的数值逼近解法和复杂系统的微介观动理学建模. 主要介绍在燃烧系统模拟方面DBM已有的工作、新近的思路、与传统流体建模的异同以及近期的研究成果. 本文重点传递的信息为: 作为复杂系统微介观动理学建模出现的DBM在模拟过程中同时给出“流动”及其相伴随的、关系最密切的那部分“热动”非平衡效应; 它为燃烧等复杂系统中各类非平衡行为的描述、非平衡信息的提取、非平衡程度的度量提供了一种简洁、有效的方法; 它所提供的热动非平衡测量量有两类: 一类是直接比较分布函数和平衡态分布函数的动理学矩关系得到的, 一类是来自于Chapman-Enskog多尺度分析给出的热传导和黏性项. 基于第二类DBM, 可以实现(燃烧等)一大类复杂流体系统的多尺度物理建模.     

富氧燃烧气氛下无机元素的迁移转化规律

采用热力学平衡计算方法对小龙潭高钙飞灰在燃后区低温烟气下无机元素的迁移转化规律进行了研究。在常压下,常温~1000C范围内,重点分析了烟气中CO_2浓度和SO_2对飞灰中无机元素迁移转化规律的影响。结果表明,在低温烟气区,Ca、Mg组分易发生碳酸化反应。CO_2浓度会影响碳酸化反应的进行,而SO_2的存在会极大地促进硫酸盐的生成,从而抑制碳酸化反应。     

动态亚网格二阶矩湍流燃烧模型

在二阶矩亚网格燃烧模型的基础上,考虑了密度脉动,提出了动态亚网格二阶矩燃烧模型(Dynamic-LES-SOM)。在此模型中,反应项由平均反应项和亚尺度反应项组成,所有的系数都是通过动态计算得到。使用该模型对美国Sandia国家实验室Flame C进行了计算,并且与忽略密度脉动的二阶矩亚网格燃烧模型结果进行对比。结果发现,DynamicLES-SOM燃烧模型计算结果与实验值吻合得很好,较忽略密度脉动的二阶矩燃烧模型有所提高。     

玉米粉－氧气混合物中爆轰波的数值模拟

建立了描述可燃粉全－氧气混合物爆轰波的一维两相反应流模型，用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ有限差分格式求解了控制方程，成功地模拟了玉米粉－氧气混合物在氢－氧爆轰驱动下爆轰波的传播过程，其数值结果在接近稳态爆轰区时与实验规律有良好的一致性。     

气云爆轰的一维模型

激波作用下，悬浮液谪在高温、高压和高速气流中变形、蒸发、剥离甚至破碎。雾化燃料经过一段延迟时间后点火燃烧释放出大量的能量。这些能量由局部爆炸波所携带，通过碰撞传递给引导微波，从而使气云爆轰波自持。文中提出的气云爆轰的一维模型考虑了上述基本过程，并从理论上推导了点火面和ＣＪ面的判据。通过计算，文中讨论了气云爆轰的松弛结构和影响ＣＪ爆速的因素，爆速的计算值与实验值基本相符。     

炮口二次燃烧的正激波点火模型

本文提出了考虑炮口激波结构中的正激波强度、化学动力学和湍流射流混合的预测炮口二次燃烧点火的模型,得到了与实验相一致的结果。     

高密度B炸药的燃烧转爆轰实验研究

采用电探针及压力传感器测试技术对密度为1.597 g/cm3的固体B炸药（TNT/RDX=40/60）的燃烧转爆轰性能进行研究。实验结果表明,在较强的约束条件下（45号钢管,内径20 mm,外径64 mm,长500 mm）,B炸药形成了DDT现象,诱导爆轰距离为295~310 mm。     

冲击破碎高能推进剂的燃烧异常

为研究高能推进剂的冲击损伤状态对其使用安全性的影响,以爆轰波为加载手段,对NEPE推进剂试样进行冲击损伤。经扫描电镜观察和密度测量,冲击试样的基体材料和固体颗粒破坏严重,密度降低。热分析实验表明,损伤有利于试样中硝酸酯热分解的进行。密闭爆发器实验显示,损伤使燃烧速度加快。     

振荡燃烧的动态测试及信息处理

作者用随机信息处理方法研究了某型火箭发动机的燃烧状况,不仅发现该型发动机存在有振荡燃烧,而且获得了振荡燃烧信息的功率谱及功率谱阵。针对振荡燃烧信息在时间域和频率域上的随机性特点,作者精心地设计了测试系统,并对系统的性能参数进行了全面标定。经多次实测证明该系统工作可靠,信噪比较高。测试与分析结果表明:该型发动机振荡燃烧的主振测率为800Hz,最大振幅为43dB;并存在有1600Hz和2500Hz两个次级振荡频率;而且该发动机的振荡燃烧是以纵向振荡为主。为研究该型火箭发动机振荡燃烧的产生原因和消除方法提供了科学依据。     

爆炸地震波评价地面毁伤效应的实验研究

通过实验探索爆炸地震波评价爆源对地面冲击波毁伤效应的可能性 ,结果表明 ,在相同的地层状态条件下和一定的距离范围内 ,用爆炸地震波评价爆源对地面的毁伤效应是可行的。这在很大程度上弥补了利用空气冲击波压力测试和模拟目标毁伤评价燃料空气炸药 (FAE)爆源爆炸空气冲击波威力的不足。