气相爆轰波沿胞格的动力学机理研究

 建立了一种以子单元分析为基础,研究气相爆轰波沿胞格运动时的动力学机理的新方法。根据该子单元的性质和斜冲击波关系,首先推导了对撞前后前导冲击波沿胞格对称轴的马赫数之比和入射冲击波入射角及胞格几何性质的关系,求解了胞格结构中的三波点对撞问题。然后,采用爆炸波模拟前导冲击波的自持运动过程,求解气相爆轰波沿胞格的动力学过程,理论分析表明,气相爆轰波在胞格起点首先经历一个增长过程,然后才出现衰减。理论分析结果与实验和数值计算结果的比较表明符合得较好。     

爆轰波在弯管内传播过程数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在弯管内的传播过程进行了数值模拟.计算中氢氧混合物化学反应采用了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.计算结果表明,在弯管小曲率半径壁面附近,由于膨胀稀疏作用,爆轰波强度减弱,在局部出现前导激波与放热反应区的解藕以及二次起爆现象;在弯管大曲率半径壁面上爆轰波在马赫反射和正规反射之间相互转变,使爆轰波加强.弯管内的爆轰现象与弯管曲率半径有关.     

气相爆轰波数值模拟中化学反应模型研究

 基于改进的时 空守恒元解元算法对气相爆轰波数值模拟中3种常用化学反应模型(二步模型,基元反应模型和Sichel的二步模型)进行了考察。对平面爆轰波和具有胞格结构的爆轰波进行了数值模拟,并对数值结果进行了比较和讨论。结果表明3种化学反应模型得到的爆轰参数准确性有所差异,但得到的胞格结构均能和实验结果较好吻合。3种化学反应模型在爆轰波数值模拟中各有优缺点,应视具体问题决定使用哪种化学反应模型。     

气相爆轰波马赫反射影响因素的实验研究北大核心CSCD

在矩形截面的爆轰管道中,对C2H2+2.5O2+8.17Ar和C2H2+5N2O在CJ爆轰状态下经过不同楔面所发生的马赫反射的影响因素进行了实验研究。实验中,由烟膜记录爆轰波马赫反射的胞格结构转变过程;采用纹影技术捕捉爆轰波马赫反射波阵面的不稳定性及波后流场分布。实验结果表明:两种实验气体在爆轰波马赫反射过程中均存在由CJ区域向过驱区域转变的胞格结构;初始压力对楔面与马赫反射三波点轨迹线之间的夹角(χ)影响明显,楔角θw对χ的影响随θw的增大而增大;根据实验测得的θw+χ与θw之间的关系,可知爆轰波马赫反射三波点轨迹线的斜率随着θw的增大而增大,与CJ区域内胞格轨迹线的相交距离也更短,使马赫杆后的过驱度升高。另外,不稳定气体C2H2+5N2O的不稳定性高于稳定气体C2H2+2.5O2+8.17Ar,导致二者的爆轰波马赫反射行为存在较大的差异。     

矩形管内临界爆轰动力学数值分析

 对矩形管内临界爆轰动力学特征进行了数值分析。采用基元反应描述爆轰化学反应过程,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式求解二维反应欧拉方程。对于25%氩稀释化学计量比的氢氧预混气体,当管道宽度为30 mm、初温为300 K时,产生临界爆轰的预混气体初压为3.5 kPa。在此临界条件下,获得了临界爆轰胞格结构、沿壁面的速度和峰值压力曲线及流场波系演变特征。着重对比分析了矩形管内临界爆轰与普通爆轰在爆轰波速度、平均速度、胞格宽长比、横波结构、未反应气囊及旋涡结构之间的差异,深入认识了临界爆轰的不稳定性和化学反应动力学特征。     

一维爆轰波在扰动来流中传播的数值研究

爆轰波在静止气体或定常来流中的传播得到了广泛研究, 然而在扰动来流中的传播研究较少。这方面的研究不仅是爆轰传播机制的重要组成部分, 还可为爆轰发动机的应用提供参考。文章基于两步诱导-放热总包反应模型, 开展了一维爆轰波在正弦密度扰动来流中的传播数值模拟。通过对数值结果分析, 获得了放热反应控制参数与爆轰波内在不稳定性的关系, 并在此基础上研究了扰动波长和幅值对一维爆轰波动力学过程的影响。研究发现, 在波前施加连续扰动会诱导爆轰波表现出更复杂的动力学行为, 且影响过程与爆轰波的内在不稳定性相关。对于稳定爆轰波, 扰动只在特定波长范围内引起前导激波后的压力振荡。对于不稳定爆轰波, 扰动会进一步强化其内在不稳定性。扰动幅值越大, 对爆轰波动力学过程的影响越显著。      

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.     

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。     

气相DDT中过爆轰现象产生条件的实验研究

针对目前国际上关于气相过爆轰产生条件的3种不同观点,利用压力传感器,实验研究了氢氧混合物的爆燃转爆轰(DDT)全过程。获得了比较完整的、能反映气相DDT从爆燃成长为过爆轰再衰减为稳定爆轰的全过程压力变化曲线。分析实验结果表明,氢氧混合物的DDT过程中,过爆轰的产生需要一定条件;在初始压力一定的情况下,氢氧混合物DDT过程的转变时间或距离随氢气浓度的增加,先减小后增大,过爆轰的压力峰值约为稳定爆轰压力的1.5～2倍。     

气液爆轰波及冲击波传播的数值研究

采用高分辨率ＴＶＤ格式、ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式和二维轴对称气液两相方程组数值模拟了气液爆轰的发展过程及冲击波误减规律,计算结果与国内外研究结果符合良好。     

并行建表化学加速算法研究及其在气相斜爆轰模拟中的应用

采用详细化学反应机理对气相斜爆轰问题开展数值计算时,由于组分之间的特征时间尺度相差很大,反应源项的直接积分(direct integration,DI)求解通常存在强烈的刚性及非线性现象,导致计算量很大.为了在不损失计算精度的基础上有效减少化学反应过程的计算时间,针对包含2H2+O2详细机理的二维斜爆轰并行计算,提出两...     

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。     

Numerical investigation on detonation cell evolution in a channel with area-changing cross section

The two-dimensional cellular detonation propagating in a channel with area- changing cross section was numerically simulated with the dispersion-controlled dissipative scheme and a detailed chemical reaction model. Effects of the flow expansion and compression on the cellular detonation cell were investigated to illustrate the mechanism of the transverse wave development and the cellular detonation cell evolution. By examining gas composition variations behind the leading shock, the chemical reaction rate, the reaction zone length, and thermodynamic parameters, two kinds of the abnormal detonation waves were identified. To explore their development mechanism, chemical reactions, reflected shocks and rarefaction waves were discussed, which interact with each other and affect the cellular detonation in different ways.     

基于半隐式算法的反应欧拉方程数值计算

在处理反应欧拉方程中源项所引起的刚性问题时,发展了一种IMEX(Implicit-Explicit)型Additive Runge-Kutta半隐式算法,此方法能够节省计算时间和内存;该算法对方程中的非刚性对流项进行显式计算,刚性源项则用半隐式格式计算。为了验证该算法的可行性,通过对典型的马赫反射、二维气相爆轰、爆轰波的传播和爆轰胞格结构进行了数值模拟。模拟结果表明:该算法能够很好地处理由源项引起的刚性问题,准确地反应马赫反射情况,且得到的胞格结构与实验结果十分吻合。     

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。     

气相爆轰模拟的化学反应加速算法

针对反应流中刚性化学反应源项传统算法计算量大的特点,提出加速化学反应计算速度的动态数据表存储/删除算法,在二维气相爆轰的数值模拟中进行检验,研究节点删除和整体删除两种不同方式的效果,并与传统直接积分的算法进行比较.计算结果表明,该算法既可以很好地满足计算精度的要求,同时也对计算机内存没有苛刻的要求.当数据表数据容量一定时,计算的加速比随控制容差的增加而增加,在相同的容差条件下,节点删除算法比整体删除算法加速效果明显.并且在处理瞬态反应流问题时显示了很好的优越性.     

氢氧爆轰波在激波管中的成长机制研究

 针对气相爆轰波成长机制研究,采用压力传感器和高速摄影技术,测试了氢氧混合气体在点火后的火焰波、前驱冲击波以及爆轰波的成长变化过程,计算了冲击波过程参数和气体状态参数,分析了火焰加速机制。实验结果表明,APX-RS型高速摄影系统可用于拍摄气相爆轰波的成长历程;氢氧爆轰波的产生是由于湍流火焰和冲击波的相互正反馈作用,导致反应区内多处发生局部爆炸,爆炸波与冲击波相互耦合,最终成长为定常爆轰波。