粘性及热传导对于爆轰波的影响

对在满足化学当量比的氢氧混合气体中传播的一维和二维连续旋转爆轰波进行了数值模拟,以此检验粘性和热传导对爆轰波发展和结构的影响。模拟分别基于NS和Euler控制方程,采用二步化学反应模型,对流项采用5阶MPWENO格式求解,时间方向采用3阶TVD Runge-Kutta法,粘性项采用中心差分格式进行离散。结果表明:粘性和热传导不会对爆轰波流场的基本流场结构产生影响;在具体数值上,粘性和热传导的影响值在爆轰波、斜激波、接触间断等速度或温度剧烈变化处相对较大,但总体上其影响量均比爆轰波流场的步进值小三个量级。因此,在没有壁面效应的一维爆轰和二维连续旋转爆轰波流场中,粘性和热传导项作为很小的扰动存在,对爆轰波的流场结构和数值大小基本不会产生影响。     

周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究

气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆, 稳态传播和失效机制都极为复杂, 很多物理机制尚不明确, 是当前爆轰物理领域研究的热点和难点. 本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究, 非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现, 重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响. 计算结果表明, ZND爆轰波在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两种竞争性因素: 一是爆轰波内在的不稳定性; 二是温度扰动的波长和幅度, 前者是内因, 后者是外因. 温度扰动的存在抑制横波的发展, 延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化, 并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象. 这说明, 温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展, 但是不能够终止这一过程. 温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲, 并在横波附近存在较弱的三波点结构, 即温度扰动可增加爆轰波固有的不稳定性, 改变爆轰波阵面的传播机理. 幅值较大的人工温度扰动可抑制爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性. 爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性.      

气相爆轰波在半圆形弯管中传播现象的实验研究

对气相(2H2/O2/Ar系统)爆轰波在半圆形弯管中的传播现象进行实验研究。用烟迹膜记录了弯管中爆轰波的胞格结构,采用压电传感器测量了沿弯管内外母线指定点的压力时间曲线,得到了爆轰波沿弯管内、外母线的平均速度和胞格尺寸的变化。结果表明:当平面爆轰波进入弯管后,受壁面的几何形状作用,诱导激波阵面发生弯曲。沿诱导激波阵面,自内母线到外母线方向,激波强度逐渐增大。同时,爆轰波后的化学反应区也受到影响,胞格尺寸发生较明显的变化。在本文条件下,当初压p08.00kPa,受扰动的爆轰波在弯管出口下游仍恢复为强度不变的稳定爆轰。胞格记录的三波点迹线表明:受扰动的爆轰波在出口段发生了马赫反射。实验结果还表明:当p0降至5.33kPa,平面稳定爆轰波经过半圆形弯管后,其强度发生衰减并直至出现熄灭。     

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。     

激波管双爆轰驱动段性能的数值模拟研究

采用频散可控的耗散格式(DCD),求解Euler方程和一种改进的二阶段化学反应模型, 对氢氧反向-正向双爆轰驱动段激波管进行了数值模拟. 计算结果表明：当辅驱动段与主驱动 段初始压力比小于临界值时,Taylor波仍会出现,但波扇夹角较单一前向爆轰驱动段小,入 射激波马赫数衰减率变小;当初始压力比等于临界值时,主驱动段中的Taylor波完全被消除, 入射激波马赫数不再衰减. 当初始压力比大于临界值时,在主驱动段中能产生过驱动爆轰波, 不仅Taylor波被完全消除,而且驱动能力较单一前向爆轰驱动段强.     

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。     

二维拟定常爆轰波反应区的初步研究

研究由现代爆轰渐近分析理论建立的关于二维拟定常爆轰波反应区的控制方程组，用数值积分方法求解该方程组，得到爆轰波反应区内压力、粒子速度、化学反应度随时间变化的规律。对乳化硝铵、PBX-9404和TATB炸药进行了计算，得到比较满意的结果。     

流动系统中爆轰波传播特性的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气/空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量 比的氢气/空气预混气体的矩形爆轰流场中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,讨论了均匀来流对爆轰波传 播的影响。数值结果表明,在均匀来流的影响下,上游方向上的燃烧强度大于C-J爆速,下游方向上的燃烧强 度小于C-J爆速;上游方向传播的爆轰波的阵面压力大于下游方向传播的爆轰波的阵面压力。所以,经典的 C-J爆轰理论并不适用于流动系统中爆轰波传播特性的研究。     

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。     

扩张管内爆轰波临界传播特性的研究

假设重点火位置沿扩张管内扰动区的最后一道特征线，结合描述爆轰波绕射后重点火产生的特征量Ｍ／ｙｓ与沿胞格长度方向诱导激波与化学反应区分离时爆轰波阵面衰减的速度梯度△ＭＣＪ／Ｌｃ，本文得到了临界条件下扩张管内爆轰波维持传播而不熄灭的重点火准则。利用Ｗｈｉｔｈａｍ的激波线射理论，由重点火准则导出了任意扩张管角度下爆轰波胞格尺寸的计算公式。计算结果与实验结果相比，二者不仅趋势一致，而且量值也很接近。     

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.      

HMX粒度与爆轰波传播性能的关系研究

采用楔形装药,用临界截面厚度来表征爆轰波传播特性,分别对两种密度条件下HMX粒度对其自身和以HMX为主体的混合炸药HMX/F2641（wHMX/wF2641=95∶5）爆轰波传播性能的影响作了实验研究。结果表明:HMX粒度对爆轰波传播特性有显著的影响,随着HMX粒度的减小,临界截面厚度变小,即爆轰波传播性能增强;同一HMX粒度下, HMX/F2641爆轰波传播性能优于HMX;装药密度的增加有利于爆轰波传递。     

二维数值模拟爆轰中化学反应率的应用

续定常爆轰数值模拟中化学反应率与人为粘性的相关性,本文对体积起爆函数进行了一维、二维系统考查,并与Cochran反应率做了二维对比计算给出数值结果。数值模拟爆轰的复杂相互作用,应用体积起爆函数为好。     

斜爆轰的胞格结构及横波传播

针对30楔角的驻定斜爆轰特性,选择在临界爆轰马赫数附近6.8、7.0与7.5等3种不同马赫数 来流状态进行数值分析。在马赫数为6.8、7.0状态下,在斜激波(obliqueshockwave,OSW)、斜爆轰波(obliquedetonationwave, ODW)与爆燃波交汇处形成的三波点后形成一道激波,在楔面上反射,并透过接触间 断面与爆轰波阵面产生的横波相互作用,使得下游流场发生扰动,形成不规则的胞格结构。斜爆轰波阵面产 生的横波呈现上游单向传播与下游双向传播同时并存的现象,对斜爆轰的稳定性产生了影响。     

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。     

非理想爆轰产物流场的程序燃烧计算法

研究了用程序燃烧法计算非理想爆轰时引进不真实反应速率和人为粘性对化学反应区终点处参数的影响,证实不会引起流体力学波和程序燃烧波的分离。还给出了一般炸药状态方程情况的爆速曲率关系和对化学反应区终点参数计算误差的估计。     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率,近年来引起人们的关注。其中,点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的,本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法,并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明,燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显,它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法,本文对燃烧室初始流速为360 m/s,喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰,得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s,频率为5 347.6 Hz。此外,燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标,文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

一种鲁棒的HLLC格式及其稳定性分析

精确捕捉接触波和剪切波的Godunov型数值方法,如流行的HLLC格式,在模拟高超声速流动问题时会出现激波异常现象。对HLLC格式进行稳定性分析发现,流体主流方向的扰动都能有效衰减,但是横向的密度与剪切速度的扰动不会衰减。具有特殊对称性的二维Sedov爆轰波问题证明了横向通量和不稳定现象之间的密切联系。利用压力比和马赫数来探测数值激波层亚声速区的横向网格界面,并且在该界面的数值通量上增加熵波粘性和剪切波粘性来构造一种激波稳定的HLLC格式。分析表明,在熵波粘性和剪切波粘性的作用下,横向的所有扰动都会衰减。一系列数值测试证明了新格式不仅可以成功地抑制各类激波异常现象,还保留了原HLLC格式低耗散性的优点。     

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。