化学反应和球面聚心爆轰波的相互作用

考察球面爆轰波聚心传播过程中,波阵面附近压力和温度不断升高引起化学反应进程的改变;对比氢氧可燃气体与氮气的数值模拟结果,分析化学反应对波面温度和压力的影响,从而考察Zeldovich理论预测聚心爆轰波后参数的精确性.数值结果表明,爆轰波聚心传播初期,放热的燃烧反应对波后热力学参数起主导作用;传播后期,波阵面趋近于对称中心时,吸热的气体解离反应变得非常活跃,解离反应对后期的汇聚压力影响不大,但会在很大程度上限制汇聚温度的升高.     

拐角空间中悬浮铝粉尘爆轰后效的三维数值模拟

建立三维的铝粉-空气两相爆轰计算模型,采用时-空守恒元解元（CE/SE）方法求解,并开发了悬浮铝粉尘爆轰的三维数值模拟程序.基于消息传递接口（MPI）技术实现了程序的并行化设计.通过对激波管问题以及爆轰管中铝粉-空气两相爆轰实验的模拟验证程序的可靠性.对拐角空间中左侧浓度为368 g·m^-3的铝粉-空气混合物两相爆轰及其在拐角空间右侧和下方空气域内形成的冲击波和温压效应开展数值模拟,获得复杂空间内爆轰波或冲击波的传播、反射以及绕射过程.结果表明：两相爆轰在离铝粉尘区域2 m远的空气域内产生的后效冲击波能达到2.66 MPa的固壁反射压力,火球燃烧范围会超出初始铝粉尘区域约0.8 m,并且造成初始铝粉尘区域附近1.5 m范围内空气的温度高达1 600 K.模拟程序可用于铝粉尘爆轰的后效研究,对工业安全及其防护具有指导意义.     

来流温度影响驻定爆轰波结构和性能的数值研究

 采用数值模拟的方法研究了超音速来流撞击圆锥体诱导的驻定爆轰波的结构和性能,讨论了不同初始来流温度下,爆轰波结构和波后压力的变化。结果表明,随着来流初始温度的降低,爆轰波的增压比逐渐增加,有利于提高驻定爆轰发动机的推进性能。当初始温度较高时,爆轰波阵面呈现光滑平直的形态,而初始温度较低时,爆轰波呈现出明显的三波点结构,且温度越低,三波点数量越多排列越紧密,这些具有较高压力的三波点对爆轰波波后压力的变化起到了重要作用。     

Polar Coordinate Lattice Boltzmann Kinetic Modeling of Detonation Phenomena

A novel polar coordinate lattice Boltzmann kinetic model for detonation phenomena is presented and applied to investigate typical implosion and explosion processes. In this model, the change of discrete distribution function due to local chemical reaction is dynamically coupled into the modified lattice Boltzmann equation which could recover the Navier-Stokes equations, including contribution of chemical reaction, via the Chapman-Enskog expansion. For the numerical investigations, the main focuses are the nonequilibrium behaviors in these processes. The system at the disc center is always in its thermodynamic equilibrium in the highly symmetric case. The internal kinetic energies in different degrees of freedom around the detonation front do not coincide. The dependence of the reaction rate on the pressure, influences of the shock strength and reaction rate on the departure amplitude of the system from its local thermodynamic equilibrium are probed.     

氢气-空气混合物中瞬态爆轰过程的二维数值模拟

 对高温火团引发的氢气-空气混合气的瞬态爆轰过程进行了二维数值模拟,考虑了H₂-O₂-N₂的详细化学反应动力学机理,该机理包含了19个基元反应和9种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Euler方程,其中使用全耦合的TVD格式求解流场,使用基于Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。计算结果表明：在H₂∶O₂∶N₂＝0.4∶0.4∶0.2（摩尔比）的混合气中,高温气团初始温度为T/T₀=5.3时可诱导爆轰,爆轰波以2 300 m/s的速度传播,同时爆轰波阵面在管壁会形成反射波。还对计算的爆轰波后组分的浓度和温度进行了讨论,为理解爆轰波后结构提供信息。     

一种基于特征理论模拟凝聚炸药爆轰的单元中心型Lagrange方法

提出一种数值模拟凝聚炸药爆轰问题的单元中心型Lagrange方法.利用有限体积离散爆轰反应流动方程组,基于双曲型偏微分方程组的特征理论获得离散网格节点的速度与压力,获得的网格节点速度与压力用于更新网格节点位置以及计算网格单元边的数值通量.以这种方式获得的网格节点解是一种"真正多维"的理论解,是一维Godunov格式在二维Riemann问题的推广.有限体积离散得到的爆轰反应流动的半离散系统使用一种显-隐Runge-Kutta格式来离散求解：显式格式处理对流项,隐式格式处理化学反应刚性源项.算例表明,提出的单元中心型Lagrange方法能够较好地模拟凝聚炸药的爆轰反应流动.     

低温下JB-9014钝感炸药DSD参数研究

 爆轰冲击波动力学（Detonation Shock Dynamics,DSD）是目前研究爆轰波非理想传播的有效途径。利用DSD的广义几何光学模型,研究了大长径比药柱中爆轰波非理想传播现象,根据-30 ℃下直径为10～30 mm药柱的直径效应实验数据,利用遗传算法确定了低温下JB-9014钝感炸药的DSD参数。由DSD参数计算得到了JB-9014药柱中的定态波形和爆速,计算结果与实验结果符合。     

CTVD格式数值计算非均质炸药爆轰问题

将高分辨率激波捕捉格式CTVD格式拓展应用到非均质炸药爆轰的数值模拟问题.增加了化学反应率控制方程,引入Lee-Tarver点火成长模型,未反应的固体炸药和化学反应气体产物都使用JWL形式状态方程.数值模拟了非均质固体炸药PBX-9404和TATB的冲击起爆问题.获得了较高的爆轰波分辨率和光滑解区的数值精度,对具有复杂物态方程形式的固体炸药爆轰问题,CTVD格式具有简单实用、高效和高分辨的特点.     

一个高效的离散Boltzmann爆轰模型

构建一个适用于爆轰过程模拟的离散Boltzmann模型.该模型由一个离散Boltzmann方程和一个唯象反应率方程构成;在物理建模上,它等效于一个传统Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.与传统流体模型相比,它能够提供更多的动力学和动理学信息.该模型采用16个离散速度,相比于使用33个离散速度的模型具有更高的运算效率,模型中引入了额外自由度,通过调节额外自由度的数目,可以模拟各种不同比热比的爆轰.采用爆轰问题中的一些经典算例对所建立的模型进行数值验证.结果表明：该模型不仅对传统流体模型所能模拟的爆轰问题有效,而且能够用于一些传统流体模型不能描述的非平衡过程,有利于对爆轰问题的深入研究.     

铝粉-空气混合物爆燃转爆轰过程及爆轰波结构

 在长为32.4 m、内径为0.199 m的大型长直水平管道中,对铝粉-空气两相流的燃烧转爆轰（DDT）过程及爆轰波结构进行了实验研究。对铝粉-空气混合物弱点火条件下DDT过程不同阶段的特征进行了分析,实验结果显示混合物经历了缓慢反应压缩阶段、压缩波加速冲击波形成阶段、冲击反应过渡阶段、冲击反应向过压爆轰过渡阶段和爆轰阶段,得到了混合物各阶段的DDT参数,由此进一步分析了DDT浓度的上、下限。在1.4 m爆轰测试段的4个截面的环向上各均匀安装8个传感器,对爆轰波结果进行测试,并对铝粉-空气混合物爆轰波的单头结构进行了分析。     

冷等离子体放电区长度对爆震特性影响的实验研究

快速高效的起爆对脉冲爆震发动机工作特性的作用十分关键.文章以乙炔为燃料、空气为氧化剂,使用双爆震管研究冷等离子体和火花塞两种点火方式对起爆特性的影响规律.冷等离子体发生器采用自主设计产品,研究中通过改变冷等离子体放电区长度,测试爆震波的传播过程,给出了放电区体积大小对爆震特性的影响.实验结果表明:冷等离子体点火起爆特性明显优于火花塞;在基本保证放电功率不变时,放电区长度的变化对火焰传播时间、火焰传播速度、爆震波峰值压力影响不大.因此,在工程实践中,采用小区域放电能够减少冷等离子的体积且不影响起爆性能.      

氢-空气绕流无限长斜劈斜爆震波数值模拟

采用二维多组分有化学反应的Euler方程,考虑单步化学反应,采用有限反应速率模型,对斜爆震波进行计算,通过将数值模拟结果与实验结果对比,验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上,对氢空气绕流无限长斜劈的斜爆震过程进行了数值模拟,分析了斜劈角度对斜爆震波特性的影响。结果表明:当斜劈角度增大时,爆震波中的化学反应速率随之增大,相应的斜爆震波的角度也增加,波后的温度更高,同时波后法向马赫数减小。     

地下爆炸空腔压力和温度历程数值模拟

将气体的渗透、气体与空腔壁的辐射换热、气体与周围介质的热传导三种因素相结合,建立地下爆炸空腔稳定后气体温度和压力变化的数学模型,编制一维球对称有限体积数值模拟程序.用该程序对美国内华达试验场冲积土介质中一次地下核爆炸空腔温度和压力历程进行数值模拟,并对压力监测结果进行分析.     

激光支持等离子体爆轰波温度的实验测量

 高能量激光聚焦空气产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量会形成激光支持等离子体爆轰波。等离子体爆轰波温度是表征爆轰波的一个重要参数,研究等离子体爆轰波温度对于深入了解激光支持等离子体爆轰波形成机理有重要意义。分析了激光聚焦空气形成等离子体爆轰波过程和影响等离子体爆轰波温度的主要因素。采用多通道瞬态光学高温计,测量了不同激光发射能量下空气中形成的激光支持等离子体爆轰波的辐射强度,获得了一系列等离子体爆轰波温度动态变化曲线。测量结果表明：等离子爆轰波温度在随时间演化过程中出现3个峰,最高温度在7 000～10 000 K范围内;激光能量与等离子体爆轰波温度没有明显的相关性。     

一维爆轰波不稳定性的数值模拟

 对当量比为1的乙烷与空气的混合气体的一维爆轰不稳定问题进行数值模拟，得到了不同大小的网格对爆轰不稳定问题数值模拟结果的影响。网格大小Δx由从ZND模型分析得到的导引长度L_in确定，网格大小从0.2L_in变到0.002 5L_in。随着网格变细，没有得到振幅趋于一致的解，每一种网格尺寸得到的解的振幅都互不相同。当网格大小为Δx=0.01L_in、0.005L_in时，得到有规则的爆轰激波阵面压力的振荡，振荡的模式是峰值一大一小的振荡。网格更细时，爆轰波的振荡在计算范围内由一些有规则的振荡和一些较不规则的振荡组成。但爆轰激波阵面压力振荡的波长最后趋于一致，为91~93 mm，与实验得到的胞格长度88 mm很接近。     

基于基元反应模型的H2-O2-N2爆轰数值模拟

 采用12组分、23个化学反应的基元化学反应模型,用5阶加权本质无震荡格式（WENO）、3阶TVD Runge-Kutta格式,对H₂-O₂-N₂混合气体胞格爆轰进行了数值模拟。研究了一维ZND爆轰、自维持爆轰的详细结构以及三波点附近的流动结构。计算结果表明：由横波的压力可以显著促进二维爆轰波波阵面的形成;横波的运动生成三波点,三波点造成了爆轰的自维持传播。     

基于连续旋转爆震的推进技术研究进展

基于爆震燃烧的推进技术是未来空间技术的重要发展趋势,特别是可实现结构简单化设计和高热力学效率.针对火箭式连续旋转爆震发动机、吸气式爆震发动机的实验测试和数值仿真,文章综述了其国内外研究进展,分别总结了不同燃料、燃烧室结构、喷注方式以及工作方式等对连续旋转爆震波的传播规律和发动机的特性影响规律.虽然上述探索性研究得到了诸多有益的结论,但是由于连续旋转爆震燃烧技术涉及的流动、物理化学过程十分复杂,对旋转爆震燃烧的机理研究仍然有待进一步深入开展.      

悬浮RDX炸药粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对悬浮RDX炸药粉尘爆轰波进行了数值模拟。RDX炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,颗粒表面发生熔化。参考液滴在高速气流作用下剥离的效应,假设炸药熔化部分在高速气流的作用下发生剥离,破碎成极小的颗粒,瞬时发生分解反应,释放出能量支持爆轰波传播。数值模拟了在不同粒径和浓度的悬浮RDX炸药粉尘中爆轰波的发展与传播过程,得到了爆轰波流场中气-固两相的物理量分布,并确定了爆轰波参数。在较低的RDX粉尘浓度条件下,爆轰波阵面压力的峰值曲线出现振荡。当RDX粉尘浓度在80~150 g/m3时,数值模拟得到的爆轰波阵面压力峰值曲线的振荡是规则的;当RDX粉尘浓度为70 g/m3时,爆轰波阵面压力峰值曲线出现不规则振荡。     

一维过驱动爆轰波形成的数值研究

利用有限速率的基元反应模型对一维过驱动爆轰波的形成过程进行数值模拟.研究表明,在上游高温、高压、高速来流作用下首先会形成一道强激波,其波面方存在诱导区和放热区,然后诱导区和放热区界面会在来流扰动的作用下发生失稳,经过复杂的波系运动过程形成过驱动爆轰波.通过对不同初始条件下界面失稳过程的模拟和分析,研究了混合气体的组元、温度,来流的压力、温度、速度对过驱动爆轰波形成的影响.     

气相爆轰波在分叉管中传播现象的数值研究

数值研究气相爆轰波在分叉管中的传播现象.用二阶附加半隐龙格-库塔法和5阶WENO格式求解二维欧拉方程,用基元反应描述爆轰化学反应过程,得到了密度、压力、温度、典型组元质量分数场及数值胞格结构和爆轰波平均速度.结果表明:气相爆轰波在分叉管中传播,分叉口左尖点的稀疏波导致诱导激波后压力、温度急剧下降,诱导激波和化学反应区分离,爆轰波衰减为爆燃波(即爆轰熄灭).分离后的诱导激波在垂直支管右壁面反射,并导致二次起爆.畸变的诱导激波在水平和垂直支管中均发生马赫反射.分叉口上游均匀胞格区和分叉口附近大胞格区的边界不是直线,其起点通常位于分叉口左尖点上游或恰在左尖点.水平支管中马赫反射三波点迹线始于右尖点下游.分叉口左尖点附近的流场中出现了复杂的旋涡结构、未反应区及激波与旋涡作用.旋涡加速了未反应区的化学反应速率.反射激波与旋涡作用并使旋涡破碎.反射激波与未反应区作用,加速其反应消耗,并形成一个内嵌的射流.数值计算得到的波系演变和胞格结构与实验定性一致.