5.12汶川大地震诱发大型崩滑灾害动力特征初探

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获 取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波 理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波, 以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受 初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起 实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分 析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则 疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为 过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展 极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波 区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.     

爆轰波与激波对撞爆轰状态演化机理研究

对当量比氢氧混合气体中爆轰波与激波的正面对撞过程进行了二维数值研究. 采用了二阶精度NND差分格式与改进的两阶段化学反应模型,并以数值x-t纹影图以及烟迹图记录了对撞过程. 数值研究表明,透射爆轰波受到膨胀影响首先会衰减,甚至产生局部解耦现象;然后由于三波点的碰撞又能再次重新耦合. 在爆轰波对撞过程中,由于燃烧不均匀性而产生的弱横波对爆轰胞格的形成起着重要作用.      

爆轰波透射孔栅形成的高速爆燃波的结构和行为

以实验为主,研究光滑直管中乙炔氧气爆轰波透射孔栅形成的高速爆燃波结构和行为。实验以基于纹影平台的高速转鼓摄影记录孔栅下游近场内初始爆燃波的结构和发展,并以压力传感器跟踪其后继走向。研究发现,高速爆燃波是前驱激波和火焰的组合结构,随着初始压力的提升,它分别表现为紧随于前驱激波的层流和湍流燃烧火焰。入射爆轰胞格尺度小于或与孔栅扰动尺度相当时,湍流燃烧在下游近场迅速形成;层流结构的爆燃波通常无法抵制背景稀疏波而走向衰弱,而湍流燃烧结构可发生加速和向爆轰的转捩;他们之间存在一个不稳定的临界状态,高速爆燃波得以以0.5~0.6倍CJ爆轰速度传播较长距离,这一状态对应于双间断Rankine-Hugoniot关系的等容燃烧解。     

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.      

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

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。     

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。     

可燃气体中激波聚焦的点火特性

数值模拟了二维平面激波从抛物面上反射在可燃气体中聚焦的过程,研究了形 成爆轰波的点火特性. 对理想化学当量比氢气/空气混合气体,在初始压强20kPa的条件下, 马赫数2.6-2.8的激波聚焦能产生两个点火区：第1个点火区是反射激波会聚引起的,第 2个点火区是由入射激波在抛物面上发生马赫反射引起的. 这种条件下流场中会出现爆燃转 爆轰,起爆点分别分布在管道壁面、抛物反射面和第2点火区附近. 起爆机理分别为激波管 道壁面反射、点火诱导激波的抛物面反射和点火诱导的激波与第2点火区产生的爆燃波的相 互作用. 不同的点火和起爆过程导致了不同的流场波系结构,同时影响了爆轰波传播的波动 力学过程.     

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。     

气相爆轰波绕射流场显示研究

采用基于红宝石激光器（波长694.3 nm）的纹影系统,对气相爆轰波绕射进行了初步的流场显示研究。采用单色激光和合适半带宽（15 nm）的滤光片,有效地消除了爆轰波自发光对流场显示的影响。合理设置激光器同步控制系统的触发延时,得到了序列的爆轰波阵面纹影照片。结果表明:图像清晰地显示了爆轰波阵面的诱导激波、横波及化学反应区。当爆轰波在左尖点处绕射,受稀疏波作用,诱导激波与化学反应区明显分离,导致爆轰波衰减为爆燃。分离的诱导激波和折皱的化学反应区在纹影图上清晰可见。诱导激波在垂直支管右壁面反射,诱导二次起爆。畸变爆轰波在水平和垂直支管中均发生马赫反射。提高初压,爆轰波受分叉口几何属性的影响减小,畸变爆轰波在水平和垂直支管下游较易恢复为自持爆轰波。     

Head-on Collision of a Detonation with a Planar Shock Wave

The phenomenon that occurs when a Chapman–Jouguet (CJ) detonation collides with a shock wave is discussed. Assuming a one-dimensional steady wave configuration analogous to a planar shock–shock frontal interaction, analytical solutions of the Rankine–Hugoniot relationships for the transmitted detonation and the transmitted shock are obtained by matching the pressure and particle velocity at the contact surface. The analytical results indicate that there exist three possible regions of solutions, i.e. the transmitted detonation can have either strong, weak or CJ solution, depending on the incident detonation and shock strengths. On the other hand, if we impose the transmitted detonation to have a CJ solution followed by a rarefaction fan, the boundary conditions are also satisfied at the contact surface. The existence of these multiple solutions is verified by an experimental investigation. It is found that the experimental results agree well with those predicted by the second wave interaction model and that the transmitted detonation is a CJ detonation. Unsteady numerical simulations of the reactive Euler equations with both simple one-step Arrhenius kinetic and chain-branching kinetic models are also carried out to look at the transient phenomena and at the influence of a finite reaction thickness of a detonation wave on the problem of head-on collision with a shock. From all the computational results, a relaxation process consisting of a quasi-steady period and an overshoot for the transmitted detonation subsequent to the head-on collisions can be observed, followed by the asymptotic decay to a CJ detonation as predicted theoretically. For unstable pulsating detonations, it is found that, due to the increase in the thermodynamic state of the reactive mixture caused by the shock, the transmitted pulsating detonation can become more stable with smaller amplitude and period oscillation. These observations are in good agreement with experimental evidence obtained from smoked foils where there is a significant decrease in the detonation cell size after a region of relaxation when the detonation collides head-on with a shock wave.     

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。     

Detonation diffraction in combustible high-speed flows

Detonation propagating in a T-shaped tube with quiescent and moving hydrogen/oxygen/argon mixtures is numerically examined based on the Euler equations with detailed finite-rate chemistry using the fifth-order weighted essentially non-oscillatory scheme. When diffracted in a quiescent combustible mixture, the detonation wave propagating from the bottom of the T-shaped tube is influenced by the corner rarefaction waves and decays into a non-reacting shock. Subsequently, the decoupled shock reflects irregularly from the top wall. Through several reflections back and forth between the top and bottom walls, a planar detonation is finally re-established. When the combustible mixture in the horizontal part flows from the left to the right, the detonation products ejected from the vertical tube will retard the flow, generating a compression flow upstream and a rarefaction flow downstream. The disturbed detonation on the left side is stronger than that on the right side. The final planar detonation in the upstream direction propagates faster than the Chapman–Jouguet (CJ) detonation with compressed, fine cellular structures, whereas the detonation in the downstream direction propagates more slowly than the CJ detonation with elongated, coarse cellular structures. The details of the transient behavior of diffracting detonation in high-speed flows are discussed.     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中,组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器,采用C_2H_2/O_2/Ar反应,数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性,并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性,产生漩涡,加速能量、质量的交换。流场产生热点,促进火焰速度加快,追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内,前导激波速度越大,碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟

为了深入研究爆轰波形成和传播的机理与特性,建立了管内铝粉/空气二维黏性两相爆轰过程的数学模型,采用守恒元与求解元方法进行数值计算,并对其物理参数的分布进行了分析。结果表明:管内燃烧转爆轰的初期,压力沿径向变化明显,与壁面碰撞有明显的反射波;燃烧转爆轰的中后期,压力沿轴向变化明显,但径向效应仍不能忽视,碰撞形成的反射波对最终稳定爆轰波的形成影响较大。研究结果同时表明:不仅铝粉颗粒初始半径对爆轰波的形成与传播有一定的影响;而且气体的黏性作用在研究爆轰管内近壁面处流场时不容忽视。研究结果有利于进一步揭示铝粉燃烧转爆轰的机理。     

单次脉冲爆轰发动机工作过程的数值模拟

通过求解14组分和19个基元反应的CH4-O2-N2详细化学反应动力学机理的二维轴对称Navier-Stokes方程,对爆轰管内半球形高温火团引发的爆轰过程和爆轰波进入外流场后的全流场分布进行数值模拟。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入尾喷管后衰减为激波和进入外流场的全过程,以及爆轰管出口端附近区域的复杂涡与激波的相互作用。对轴线上的压力分布和封闭端的压力等进行了讨论,为脉冲爆轰发动机的开发研制提供参考信息。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

A numerical investigation of transient detonation in granulated material

A two-phase model based upon principles of continuum mixture theory is numerically solved to predict the evolution of detonation in a granulated reactive material. Shock to detonation transition (SDT) is considered whereby combustion is initiated due to compression of the material by a moving piston. In particular, this study demonstrates the existence of a SDT event which gives rise to a steady two-phase Chapman-Jouguet (CJ) detonation structure consisting of a single lead shock in the gas and an unshocked solid; this structure has previously been independently predicted by a steady-state theory. The unsteady model equations, which constitute a non-strictly hyperbolic system, are numerically solved using a modern high-resolution method. The numerical method is based on Godunov's method, and utilizes an approximate solution for the two-phase Riemann problem. Comparisons are made between numerical predictions and known theoretical results for 1) an inert two-phase shock tube problem, 2) an inert compaction wave structure, and 3) a reactive two-phase detonation structure; in all cases, good agreement exists. Received 4 August 1995 / Accepted 17 February 1996