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。     

自持的和活塞驱动的散心爆轰波

本文研究一维散心爆轰波的传播规律。根据自相似流动方程组,研究了积分曲线在相平面上的性态。假定方程组的解可用多项式近似,利用级数展开,可得近似解的头几项系数。再利用静止区或活塞边界条件确定其余系数,得到了关于自持爆轰波(Taylor波)及活塞驱动爆轰波的CJ极限和强波极限等几类大范围适用的高精度的近似解。本文并以水中强冲击波问题为例,说明这种近似方法也可应用于研究惰性介质中的冲击波。     

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。     

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。     

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。     

气相爆轰的胞格结构

气体爆轰现象是Berthelot等人在1881年发现的。Chapman(1899年)与Jouguet(1917年)首先提出了爆轰波的一维流体动力学理论《称CJ理论),他们把爆轰波阵面简化为强间断,假定流动是一维定常的,利用流体力学的Euler方程组解出了波阵面上的爆轰参数。     

钝感炸药爆轰性能的数值模拟

采用唯象反应率及相应状态方程对敏感与钝感两类炸药进行了数值模拟研究。结果表明:应用一般流体力学方程组的差分计算与反应率对释能过程的模拟，虽不能模拟爆轰波的精细结构及由此而引起的非理想效应，但仍能反映钝感炸药的部分性能。对数值模拟中的一些限制与条件，也进行了探讨。     

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。     

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.     

氢氧爆轰波在变截面扩张管道中传播的数值模拟

采用二阶精度频散控制耗散格式(DCD)和8组分20个方程的基元反应模型,对轴对称变截面管道中氢氧爆轰波传播进行数值模拟。结果表明,爆轰波传播至突变截面扩张管道时,由于稀疏波的作用可能会使爆轰波局部熄爆甚至完全熄爆,对于某些敏感度高的反应气体爆轰波可以二次起爆。而在渐变截面扩张管道爆轰波相对不易熄爆。     

2021-08期封面

铝粉反应模型是对悬浮铝粉尘气-固两相爆轰进行数值模拟研究的关键。通过考虑铝粉燃烧产物氧化铝（Al₂O₃）在高温下的分解吸热反应,改进了铝粉的扩散燃烧模型。将该模型嵌入到三维的气-固两相爆轰数值计算程序中,分别对铝粉/空气混合物以及铝粉/氧气混合物的爆轰进行了数值模拟,计算得到的稳定爆轰波速度与实验结果、文献值均吻合较好,误差小于5.5%,表明改进的铝粉反应模型适用于不同氧化气体氛围中铝粉尘爆轰的模拟计算。此外,对两相爆轰参数及爆轰流场的物理量分布进行分析,获得了铝粉反应模型对爆轰波结构的影响规律。     

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。     

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。     

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。     

爆轰波在扩张管内临界传播特性的研究

由于稀疏波的作用，爆轰波在变截面扩张管内传播时会发生衰减。临界条件下，爆轰波恰能在扩张管内维持自持传播的特性，称为爆轰波的临界传播特性。针对Ｃ＿２Ｈ＿２－Ｏ＿２－Ａｒ不同的爆轰气体成份，在不同扩张半角的方形扩张管内，作者研究了临界初压ｐ＿（ｃｒ）、胞格尺寸Ｓ与扩张半角的关系，用Ｗｈｉｔｈａｍ理论与重点火准则分析了爆轰波在扩张管的传播，得到胞格尺寸的计算值与实验值基本相符。     

高能炸药爆轰波反应区流场的拉格朗日分析方法

给出了一种简单的、对高能炸药爆轰反应区流场进行拉格朗日分析的方法。若已知未反应炸药和反应产物的状态方程，采用适当假设，我们可以在不知道反应速率函数的情况下得到爆轰反应区中的关系ｐ（）和ｕ（）等。根据这些关系及爆轰反应区中拉氏量计的实验结果ｐ（ｔ）［或ｕ（ｔ）］，通过插值或数据拟合可以得到爆轰反应区中的反应流场。我们将此方法应用于ＰＢＸ－９４０４炸药，并得到其爆轰反应区中的反应流场。     

乳化炸药铁板凹槽弯曲装药的实验研究

用铁板凹槽装填乳化炸药,通过离子探针法测得不同装药截面积和不同装药曲率条件下乳化炸药 爆炸传播速度,分析弯曲装药条件下装药直径和装药曲率对爆轰波在乳化炸药中传播速度的影响。结果表 明,爆轰波传播速度随着装药直径的二次方和曲率半径的减小而线性衰减,当装药直径或曲率半径小到某一 临界值时其爆轰反应中止。通过大量实验数据计算得到乳化炸药特定曲率半径和装药直径条件下的爆轰波 传播速度计算的经验公式。     

研究爆速直径效应的爆轰冲击波动力学方法

利用爆轰冲击波动力学（ＤＳＤ）的广义几何光学模型，得到了圆杆药柱中拟定态二维爆轰波阵面形状的解析解。在两步反应模型假定下建立了ＤＳＤ的边界条件，用爆速亏损表示阵面上炸药未反应分数，就可得到渐近爆速与药柱直径的关系，即得到计算爆速直径效应的模型。本文模型的实际意义是利用直径效应已有的大量实验数据，给定ＤＳＤ方法所需要的、又难以实验测定的各种常用炸药的爆速曲率常数（ｄＤｎ／ｄ）０，以及渐近状态下爆轰波与药柱边界的夹角。     

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。     

气相爆轰波反应区结构的平面激光诱导荧光测量

基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术对2H2 O2 10Ar的预混气体爆轰波反应区结构进行实验研究.采用高浓度的氩稀释有利于减小爆轰化学反应自发辐射光对OH荧光的影响.合理设置PLIF系统、爆轰波和ICCD之间的同步控制触发延时,得到爆轰波阵面附近的OH荧光分布图像.结果表明:诱导激波后反应阵面不是平面且不稳定.荧光图像上能清晰地看到类似拱顶石的结构,它位于两马赫杆之间,以入射激波、剪切层和反应阵面为边界.无论是在马赫杆后还是在入射激波后,OH浓度分布在诱导区末端急剧增加至最大值.随着离开反应阵面的距离增加,OH浓度快速减小.由于爆轰模式和激光片光方向的影响,从PLIF图像上测得的横波间距值较离散,均小于胞格宽度.