气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

激波与爆轰波对撞的数值模拟研究

用二阶精度NND差分格式和改进的二阶段化学反应模型模拟了爆轰波与激波的对撞过程,研究了不同强度入射激波对爆轰过渡区域的影响. 当对撞激波较弱时,透射爆轰波演变主要受流动膨胀作用的影响,可划分为对撞影响区、爆轰恢复区和稳定发展区3个阶段. 在爆轰恢复区和稳定发展区,前导激波压力经历一个过冲、然后向稳定爆轰过渡的过程,表现了爆轰波熄爆和再起爆的物理特征. 当对撞激波较强时,可燃混合气体的高热力学参数导致了更高的化学反应活化程度,形成了弱爆轰向稳定爆轰的直接转变.      

爆轰波平掠惰性气体界面及其解耦现象的数值研究

采用基元化学反应模型和迎风TVD格式,数值研究了爆轰波平掠惰性气体界面时的物理现象及其作用机制,并用点隐方法克服化学反应源项引起的计算刚性。数值结果显示,当爆轰波平掠过惰性气体界面时,形成了爆轰波、界面、透射激波以及稀疏波相互作用的现象。在高N2比例稀释的可燃混合气体情况下,当爆轰波平掠过特定惰性气体界面时,它与惰性气体界面相互作用产生的稀疏波可以导致爆轰波的解耦。     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

激波绕射碰撞加速诱导爆轰的数值模拟

基于单步化学反应的Euler方程和对激波(爆轰波)、接触间断具有良好捕捉效果的Roe/HLL混合格式以及自适应网格技术,模拟了激波在方形管中与方块障碍物相互作用,并发生绕射碰撞来诱导爆轰的过程.结果表明,弱激波在绕经方块时,形成上、下绕射激波并在方块尾部发生碰撞,生成局部高温高压点,可加快爆轰的形成;而当管内阻塞比超过...     

激波点燃粉尘的数值模拟研究

建立了用于模拟入射激波后可燃粉尘颗粒点火的一维非定常两相化学反应流模型，该模型考虑了气固两相间的相互作用、粉尘颗粒的加速、加热和化学反应。粉尘颗粒着火前的化学反应用发生在颗粒外表面和内孔表面的非均相反应描述，颗粒内部的温度变化用一含有化学反应源项的非稳态热传导方程来描述，以颗粒外表面温度的突跃上升作为可燃粉尘颗粒点燃的着火条件。我们用该模型和ＰＳＩＣ方法，对由中等强度激波从纯气相传入煤粉－氧气混合物而引起的非定常两相流动现象，包括气固两相间的相互作用、粉尘颗粒的加速、加热以及点火过程进行了数值研究，计算了对应于不同载荷比、马赫数为４～５的入射激波后煤尘颗粒的点火延迟时间，分析了由于可燃粉尘颗粒的存在，入射激波及波后气固两相流动参数的变化规律。数值计算结果与实验数据符合较好。文中建立的模型和所用的基于ＰＳＩＣ算法的数值方法，用最自然的方式描述气固两相流动，即用连续流模型（欧拉方程）描述输运相（气相）的流动，用轨道颗粒模型（拉格朗日方程）描述分散相（颗粒相）的运动。用这种方法模拟含尘介质中激波后颗粒的点火是很有效的，它可以清楚地确定哪一个颗粒群最先着火，它的初始位置以及在整个点火延迟时间内     

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

可燃介质中飞行圆球诱导斜爆轰的流场结构

基于带化学反应的二维轴对称Euler方程,利用带有Superbee限制函数的波传播算法,对氢/氧/ 氮预混气中飞行圆球诱导斜爆轰进行了数值模拟。结果表明,在达姆科勒数Da略大于临界情形时,圆球诱导 的驻定爆轰是一个由强过驱斜爆轰、弱过驱斜爆轰、反应激波和惰性激波组合而成的复合结构。波后的圆球 绕流流场内存在2个亚音速区和1个超音速区。在圆球背风表面,还形成了第2道斜激波。     

两相爆轰波的松弛结构

两相爆轰波的松弛结构明显区别于均相爆轰,除需考虑化学反应的影响外还需考虑两相流效应。本文的理论分析表明,化学反应效应和两相流效应对爆轰波松弛区内某些参数变化的影响是一对矛盾因素,这使得松弛区内的参数分布呈较为复杂的形态,均相爆轰中这类分布曲线往往是单调变化的。根据作者提出的云雾和粉尘爆轰模型所进行的计算表明理论分析与计算结果所呈现的态势一致。 文中还讨论了两相爆轰波的C-J条件,Rayleigh方程和Hugoniot方程,并根据计算绘制了Rayleigh曲线和Hugoniot曲线,这从另一侧面反映了两相爆轰波松弛结构的特征。     

斜爆轰波面上复杂结构的数值研究

利用欧拉方程和单步化学反应模型, 对斜爆轰波进行了数值模拟, 重点研究了斜爆轰波面上多维复杂结构的形成机理. 数值结果显示在斜爆轰波面上, 存在两种小尺度的激波和火焰耦合结构: 第1种结构由一道横波和三角形火焰组成, 是斜爆轰波中特有的结构; 第2种结构由两道横波和凸起的火焰面组成, 类似于正爆轰波面上的胞格结构. 数值结果表明这两种结构具有相同的形成机理, 而且能够相互转化, 它们的形成和发展过程受到来流马赫数和化学反应放热速度等参数的影响.      

Numerical studies of shock focusing induced by reflection of detonation waves within a hemispherical implosion chamber

The initiation and the propagation of detonation waves in a hemispherical chamber and the imploding shock waves that are the reflected detonation waves at the chamber wall are numerically investigated. The effects of the boundary layer and the non-uniformity of the flow field induced by the detonation wave on the imploding shock stability are examined. It is found that the effect of the boundary layer separation on the chamber wall has the strongest effect on the implosion focus.     

Numerical simulation of flow during compression of cylindrical samples by a glancing detonation wave

The parameters of shock waves created in cylindrical samples of various materials during detonation of explosive charges surrounding them have been determined experimentally [1–3]. It was established that in a number of materials the reflection of a conical shock wave from the symmetry axis of a sample leads to the formation of a Mach triple shock-wave configuration which gives rise to a complex flow pattern in the region beyond the shock waves. Analytic study of irregular reflection is a complex problem. Solutions obtained under various assumptions about the nature of the flow are presented in papers reviewed in [4]. In the present paper, axisymmetric flow of detonation products (DP) and sample material in the region adjacent to the detonation front is determined from the solution of a two-dimensional, time-dependent problem in gasdynamics by the finite-difference method [5].     

以DSD理论和LS方法为基础的程序燃烧法

给出了二维弯曲爆轰波后产物流场计算方法。爆轰波阵面传播规律满足Detonation Shock Dynamics (DSD)理论并用level set (LS)方法计算,波阵面传播规律与波后流场的耦合通过程序燃烧法实现,反应进程变量可作为LS函数的函数给出。爆轰波从刚性细管道向粗管道传播产生绕射的二维计算结果表明,化学反应速率不影响波后流场分布,只影响反应区结构。此方法可用于钝感炸药的驱动计算问题。     

正向爆轰驱动高焓激波风洞的数值模拟

对充满氢氧可燃气体、带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞进行了数值模拟。计算采用了欧拉方程,频散可控耗散差分格式（DCD）和改进的二阶段化学反应模型。在扩容腔附近采用二维轴对称计算模型,而在驱动段和被驱动段的直管道部分则采用一维计算模型。本文分析了爆轰波在管道中的传播、反射和绕射过程。计算结果表明扩容腔的尺寸对爆轰波的传播、反射、汇聚等起着决定性的作用;带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞能够得到平稳的持续时间较长的气流,提高了实验的精确度和可重复性。     

超音速来流中爆轰波衍射和二次起爆过程研究

预爆管技术被广泛地应用在爆轰波发动机的起爆过程中,但是在超音速来流中基于预爆管技术起始爆轰波的研究并未被广泛地开展。基于此,本文中数值研究了横向超音速来流对半自由空间内爆轰波的衍射和自发二次起爆、及管道内的衍射和壁面反射二次起爆两种现象的影响。数值模拟的控制方程为二维欧拉方程,空间上使用五阶WENO格式进行数值离散,采用带有诱导步的两步链分支化学反应模型。所模拟的爆轰波具有规则的胞格结构,对应于用惰性气体高度稀释过的可爆混合物中形成的爆轰波。结果表明:在半自由空间内,在本文所模拟的几何尺寸下,爆轰波并未成功发生二次起爆现象,但是爆轰波的自持传播距离随着横向超音速来流强度的增强而增加。在核心的三角形流动区域外,波面诱导产生了更多的横波结构;在管道内,横向的超音速来流在逆流侧对出口气流产生了压缩作用,能有效提高波面压力,因此反射后的激波压力也比较高。在同样的几何尺寸下,爆轰波在静止和超音速(Ma=2.0)气流中分别出现了二次起爆失败和成功两种现象,这是由于在超音速来流中化学反应面的褶皱诱导产生了横波结构,横波与管壁以及其他横波之间的碰撞提高了前导激波的强度,并最终促进了爆轰波在超声速流主管道内的成功起始。     

激波诱导火焰失稳与爆轰的条件研究

采用九阶WENO和十阶中心差分格式数值求解激波与火焰作用过程,考察了激波强度、火焰尺寸对激波与球形火焰作用过程的影响。结果表明,增大激波强度或火焰尺寸均可在流场中引发爆轰,但激波强度的影响更大,并且其引发的爆轰可使火焰迅速膨胀,放热率提高,从而影响燃烧特性;此外,爆轰波传播过程中会迅速消耗可燃预混气,合并原有的反射激波,并在流场中形成局部高压区,极大地改变流场结构。     

Fundamentals of rotating detonations

A rotating detonation propagating at nearly Chapman–Jouguet velocity is numerically stabilized on a two-dimensional simple chemistry flow model. Under purely axial injection of a combustible mixture from the head end of a toroidal section of coaxial cylinders, the rotating detonation is proven to give no average angular momentum at any cross section, giving an axial flow. The detonation wavelet connected with an oblique shock wave ensuing to the downstream has a feature of unconfined detonation, causing a deficit in its propagation velocity. Due to Kelvin–Helmholtz instability existing on the interface of an injected combustible, unburnt gas pockets are formed to enter the junction between the detonation and oblique shock waves, generating strong explosions propagating to both directions. Calculated specific impulse is as high as 4,700 s.      

Influence of shear layers on the structure of shocks formed by rectangular and parabolic blockages placed in a subsonic flow-field

Flow blockages are used to promote the transition of a flame to a detonation. The structure of shock waves formed with different configurations of blockages was experimentally determined for subsonic incoming flow. High speed subsonic flows could develop ahead of a turbulent flame and the interaction of such flows with blockages could lead to the formation of interacting shock waves, slipstreams, and expansion waves. A blow-down test setup was designed to study the interacting shock pattern formed with different configurations of blockages. The flow was found to accelerate to low supersonic velocities during its passage over the blockages. The shock structure downstream of the blockages was found to depend on the shape, size, and number of blockages as well as the spacing between them. While a parabolic-shaped blockage provided shocks of maximum strength, large blockage ratio values did not permit the formation of shocks. The shear layer, formed in the flow downstream of the blockages, reflected the expansion fan as shock waves and was found to be a major feature influencing the formation of the interacting structure of oblique shocks. The structure and strength of the shock waves are analyzed using hodograms. The formation of the interacting family of shock waves using different configurations of blockages and the spacings between them are discussed.