大气压脉冲放电等离子体射流特性及机理研究

通过实验和数值模拟研究了大气压脉冲放电等离子体射流,其中在脉冲电压上升沿阶段的放电中形成等离子体子弹并向接地电极输运,其传播速度在10⁴ m·s^–1量级.数值模拟研究还发现等离子体子弹邻近区域内增强的电场强度可达到10⁶ V·m^–1,说明等离子体子弹的形成主要由放电空间局域增强的电场导致,在接地电极附近会得到进一步增强.放电空间的电子密度时空演变过程揭示了等离子体子弹经过的区域会保持较高的电子密度,说明等离子体子弹的拖尾现象;而等离子体子弹头部增强的电子产生率与局域增强的电场强度对应,这说明了等离子体子弹产生的动力学过程.该大气压脉冲放电等离子体射流中等离子体子弹的特性和机理研究为发展大气压等离子体射流提供了理论和技术基础.     

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.     

斜爆轰发动机流动机理分析

为了研究高Mach数超燃冲压发动机和斜爆轰发动机的内流场燃烧流动机理，首先用CJ爆轰理论对超燃冲压发动机的内流场特性进行了理论分析，给出了燃烧室流场的气动规律，理论分析结果与现有实验结果吻合得非常好.其次，根据理论分析结果，提出了高Mach数超燃冲压发动机和斜爆轰发动机的气动设计原则.最后，根据提出的气动设计原则，设计了高Mach数斜爆轰发动机，飞行Mach数为9，对斜激波诱导燃烧机理开展了二维数值模拟研究.数值模拟结果表明，在高Mach数下，斜爆轰发动机燃烧室内可以得到稳定的燃烧流场.      

三维可压缩圆孔单相射流近场DNS并行数值模拟研究

本文对圆孔射流近场的湍流统计量进行了DNS模拟研究.模拟的Re=5000,计算网格3000万,计算CPU个数为60.采用MPI并行求解了可压缩的射流守恒方程,包括连续性方程、动量方程、能量方程和理想气体的状态方程.对射流近场(30d以内,d为喷口的直径)的湍流统计量的迁移规律进行了系统的分析.研究了入口湍流条件对射流统...     

HMX炸药燃烧转爆轰数值模拟

以两相流模型为基础,气相产物状态方程采用基于统计物理的类CHEQ的计算结果,建立了HMX炸药的燃烧转爆轰数学模型。采用CE/SE方法模拟了颗粒度为125μm的HMX炸药的燃烧转爆轰过程,得到了爆轰参数及流场变化规律。模拟了装填密度对HMX炸药燃烧转爆轰的影响,并与实验进行了对比。数值模拟结果表明,在相同的点火条件下,爆轰成长距离在一定范围内随装填密度呈"U"形变化。     

环形通道内爆轰波的起爆机制

旋转爆轰发动机环形燃烧室和预爆轰管的设计是影响发动机点火性能的关键因素。为了获得环形燃烧室中的起爆机制,使用多帧短时开快门摄像法,研究了不同含量氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波经直管道沿切向进入环形通道中的传播过程和模式,重点关注爆轰波的失效和重新起爆机制。通过分析胞格模式发现环形通道内爆轰波的传播模式可以分为亚临界、临界和超临界3种状态。环形通道内爆轰波在顺时针和逆时针方向同时传播,根据初始压力和环形管道宽度的不同,会出现完全熄爆模式、熄爆-重新起爆模式和完全不熄爆模式,对应亚临界、临界和超临界3种状态。3种状态在顺时针和逆时针方向出现的顺序并不一致,相比较而言逆时针方向更易熄爆。研究同时也发现重新起爆通过两种方式实现：一种是通过解耦爆轰波与内壁面的反射以及其后的横向爆轰波,另外一种是通过燃烧转爆轰。通过分析直管的临界管径发现,随着环形通道宽度的增大,对于高浓度或低浓度氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波,其临界管径均趋近于经典衍射问题中不稳定爆轰波的临界管径。实验研究结论将为旋转爆轰发动机燃烧室和预爆轰管的结构设计提供技术支持。     

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。     

战斗部爆轰产物温度效应数值模拟

 利用BKW代码、JWL方程和LS-DYNA程序,研究了无约束、弱约束和强约束等三种战斗部约束条件下炸药爆轰产物密度随时间的变化关系,再结合爆轰产物HOM状态方程获得爆轰产物温度随时间的衰变函数。给出了战斗部爆轰产物温度的理论计算方法。研究表明,爆轰区内爆轰产物温度及其衰减速率并不均匀,战斗部炸药的约束条件对爆轰产物密度和温度有重要影响,强约束可以延缓爆轰产物密度和温度的衰减,相同情况下仅战斗部壳体厚度加倍并不会导致爆轰产物密度和温度的衰减情况同比例变化。     

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。     

膨胀不足超音速自由射流的数值模拟

激波自喷管口出射到低压滞止大气中所形成的流场可简化为轴对称定常流动问题。本文采用二阶精度迎风ＴＶＤ格式对膨胀不足超音速自由射流进行了数值模拟。     

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.     

颗粒圆孔射流碰撞并行直接数值模拟算法研究

本文对空间模式发展的颗粒圆孔射流碰撞进行了并行直接数值模拟算法研究。气相采用可压缩的N-S方程直接求解。颗粒相采用Lagrangian方法跟踪实际的颗粒运动。利用并行求解算法,实现了颗粒穿越边界面的模拟以及高效颗粒碰撞算法。考虑了颗粒和流体的双相耦合以及颗粒之间的碰撞。在本文的计算条件下,颗粒的直径远小于网格的间距,平均的Kolmogorov尺度和网格的间距在一个量级。气相和颗粒相的应力与实验的对比研究表明,本文的颗粒并行程序是可信的。     

Detonation properties of stoichiometric gaseous n-heptane/oxygen/argon mixtures

A study of detonation velocity and cellular structure for stoichiometric heptane/oxygen and for some stoichiometric heptane/oxygen/argon mixtures is carried out in a shock tube at low initial pressure. The critical conditions for the detonation onset and for the propagation of a self-sustained detonation wave are determined. A simplified form of the ZND model used in conjunction with a validated detailed kinetic model leads to the determination of the proportionality factor, A, between the detonation cell width, λ, and the induction distance, Δ, in the detonation wave. This A factor is of practical importance to estimate the detonation properties of n-heptane based mixtures including n-heptane/air. The prediction of detonation cell size λ for n-heptane based mixtures is discussed according to the recent semi-empirical detonation model of Gavrikov et al. The cell sizes predicted according to this detonation model are underestimated by a factor of about 8. The limitations of this model are underlined when applied to n-heptane based mixtures.     

H_2/N_2湍射流抬升火焰的直接数值模拟

使用上海超算中心的并行计算机模拟了一个实验参数下的湍流射流抬升火焰。该实验的喷口直径为4.57 mm,实验雷诺数达到了23600。为了完成这个高雷诺数射流燃烧的直接数值模拟,共采用了1024个CPU,共计2.85亿网格。主要介绍了采用的直接数值模拟方法,实验的具体参数以及选取该实验作为模拟对象的原因。最后用直接数值模拟的结果具体分析该实验的着火机理。     

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.     

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。     

可压缩颗粒圆孔射流并行直接数值模拟算法研究

对空间模式发展的气固两相圆孔射流中颗粒与流体双相耦合作用进行了并行环境下的直接数值模拟算法研究。气相流场采用可压缩的N-S方程直接求解。计算颗粒场时,采用Lagrangian方法跟踪实际的颗粒运动。利用并行求解算法,实现了颗粒穿越边界面的模拟。为了模拟颗粒对流体的作用,考虑了颗粒和流体的双相耦合。在本文的计算条件下,颗粒的直径远小于网格的间距,平均的Kolmogorov尺度和网格的间距在一个量级,保证了DNS的要求。气相和颗粒相的应力与实验的对比研究表明,本文的颗粒并行程序是可信的。     

Numerical Simulation of Deflagration to Detonation Transition in a Straight Duct: Effects of Energy Release and Detonation Stability

Numerical simulation based on the Euler equation and one-step reaction model is carried out to investigate the process of deflagration to detonation transition (DDT) occurring in a straight duct. The numerical method used includes a high resolution fifth-order weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme for spatial discretization, coupled with a third order total variation diminishing Runge-Kutta time stepping method. In particular, effect of energy release on the DDT process is studied. The model parameters used are the heat release at $q=50, 30, 25, 20, 15, 10$ and $5$, the specific heat ratio at $1.2$, and the activation temperature at $Ti=15$, respectively. For all the cases, the initial energy in the spark is about the same compared to the detonation energy at the Chapman-Jouguet (CJ) state. It is found from the simulation that the DDT occurrence strongly depends on the magnitude of the energy release. The run-up distance of DDT occurrence decreases with the increase of the energy release for $q$=50~20, and increases with the increase of the energy release for $q$=20~5. This phenomenon is found to be in agreement with the analysis of mathematical stability theory. It is suggested that the factors to strengthen the DDT would make the detonation more stable, and vice versa. Finally, it is concluded from the simulations that the interaction of the shock wave and the flame front is the main reason for leading to DDT.