SUPER CE/SE的新算法及其在爆炸力学中的应用

研究了SUPER CE/SE的新算法及其在爆炸力学中的应用.算法和模型方面,主要包括改进CE/SE算法、快速杂交粒子水平集方法、常用化学反应模型和两流体模型.使用上述算法和模型,对激波楔面反射、爆炸焊接、爆轰波胞格结构和气液两相爆轰问题进行了数值模拟.数值结果表明,该文采用的算法具有计算精度高、应用范围广和兼容性强等优点,可广泛应用于爆炸力学的数值研究.     

发动机爆震室气相化学反应机理及爆轰波性质的数值研究

爆轰波结构中存在气体动力学和化学反应的非线性强耦合作用。针对二十步基元反应模型和基于敏感性分析简化的九步反应模型,结合二维欧拉方程,采用Roe格式求解对流项、二阶迎风格式进行插值,对脉冲爆震发动机爆震室内H_2/O_2爆轰过程进行数值研究,获得了与爆轰经典CJ理论和实验结果较为一致的爆轰参数,表明采用带有化学反应的模型是可行的。通过数值分析爆轰波胞格的精细结构,得出:相比于九步基元反应模型,二十步的基元反应模型能较为准确地描述三波点的碰撞和演化,更好地解释反应区与入射激波的解耦,而与马赫干强耦合现象。基于二十步基元反应模型数值讨论了爆震室中添加惰性气体Ar对反应的稀释作用,以及气相初始压强降低对氢氧混合气体爆轰性质的影响。     

气相规则胞格爆轰波起爆与传播统一框架的几个关键基础问题研究

本文综述并分析了气相规则胞格爆轰在起爆与传播方面的研究进展,结合高温气体动力学国家重点实验室在爆轰物理方面的研究工作,进一步研究了气相规则胞格爆轰波起爆的几个关键基础问题．这些基础问题由一个机制：非线性波传播／化学反应过程相互作用机制;两个基本过程：热点起爆和化学反应带加速过程;三个关键物理状态：平衡传播状态、临界起爆状态和稳定胞格尺度等六个关键要素组成,是统一框架的主要基本元素．通过六个典型的物理算例,本文研究了这些关键物理要素的内在机制、表现特征及其客观存在性．应用气相规则爆轰起爆与传播的统一框架,我们成功地解释了目前已有的经典爆轰理论、应用CFD技术获得的多维爆轰波计算结果和实验研究观察到的胞格爆轰图像的合理性及其依据的关键物理要素．     

曲率对旋转爆轰传播特性的影响

通过数值模拟研究了爆轰波在环形管道内传播时的胞格结构.数值模拟基于带化学反应的二维Euler方程,采用五阶精度的WENO格式捕捉激波,采用具有TVD性质的三阶Runge-Kutta法处理时间项,并结合并行技术,对旋转爆轰的传播进行了数值研究.结果表明,环形管道外壁为收敛壁面,由于其对流场的压缩效应,外壁面及附近的胞格较小,且较均匀.而内壁为发散壁面,其对流场起稀疏效应,内壁面及附近的胞格较大.随着内外径曲率的变化,环形管道中的胞格结构发生相应的变化,且呈周期性的消失和再生.     

单循环脉冲爆轰发动机的数值模拟

对高温火团引发的甲烷-空气混合气体的爆轰过程及管内、外流场做了二维轴对称数值模拟，考虑了CH4-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14种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Navier-Stokes方程，使用改进的波传播方法求解流场，使用基于隐式Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入喷嘴后衰减为激波以及进入外流场的全过程。还对轴线上的压力分布和封闭端的推力等进行了讨论，为脉冲爆轰发动机的开发研制提供信息。     

基于SD_Toolbox和Cantera的气体C-J爆轰参数计算及规律分析

为研究混合气体爆轰问题,通过利用冲击爆轰专业计算工具箱SD_Toolbox和开源的化学反应动力学计算代码Cantera研究了气体C-J爆轰参数计算方法与规律。结果表明:将SD_Toolbox和Cantera耦合可以进行混合气体爆轰问题的C-J爆轰参数计算;以H_2/O_2、CH4/O_2和C_2H_2/O_2三种不同的混合气体组分为例,在化学反应比初始条件下,分别计算了其C-J爆轰参数;通过与文献中结果的比较,验证了计算的准确性。可见,基于SD_Toolbox和Cantera可以进行气体C-J爆轰参数规律分析,包括初始温度、初始压力和爆炸气体浓度对爆轰产物压力、密度、温度和爆轰波速的影响规律等。     

分裂算法对准爆轰波数值模拟的影响

本文分析了数值模拟中的分裂算法的特性及其对燃烧模拟结果的影响.跟理论结果相比,分裂算法会造成系统动量的不守恒.提出了对数值结果进行修正的模型,利用该模型,模拟得到了准爆轰波.分析了准爆轰波的热力学特性,表明准爆轰波是热壅塞的,是声速附近的加热流动.模拟得到的准爆轰波特性跟实验结果吻合得很好,表明本文所讨论的物理问题及所提出的模型是准确的.     

环形激波和爆轰波会聚过程的气体动力学特性

首先应用修正的激波CCW关系式分析了激波和爆轰波会聚过程及其化学反应的影响, 得到了初始Mach数相同条件下激波聚焦效果比爆轰波强的定性结论. 然后求解Euler方程和基元化学反应模型对环形激波和爆轰波的会聚过程进行了数值模拟, 分析了会聚过程的气体动力学特性、波系结构的差异及其产生原因. 通过对波绕射、会聚和聚焦点附近状态参数变化的对比分析, 揭示了爆轰波化学反应在绕射和会聚不同阶段所起的作用, 验证了理论分析结果.     

基于Additive Runge-Kutta方法的激波聚焦起爆高精度数值模拟

基于详细氢氧化学动力学模型,建立了描述氢氧爆轰的多组分反应欧拉方程组. 针对建立的反应欧拉方程组,数值方法上采用3阶Additive Runge-Kutta方法对时间项进行积分,采用5阶精度的加权本质无振荡(WENO)格式对空间对流项进行离散,自主研发了大规模高精度计算程序. 该程序能够处理化学反应源项引起的刚性问题,且能节省计算时间和计算内存. 对半球型、半椭球型、圆锥型3种结构形式凹面腔内的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟,数值模拟研究得到了不同结构形式凹面腔内的激波聚焦起爆过程.      

预混气体爆轰胞格结构定性仿真建模*

预混气体的爆轰波具有典型的胞格结构,主要用烟熏技术记录下爆轰波在管道中由横波、入射波和马赫杆交合的三波点运动轨迹。胞格宽度λ作为胞格的特征长度,爆轰的胞格尺寸也是判断可燃混合气体最基本的特征参数,基于胞格尺寸,爆轰的其他动态参数,如临界管径、爆轰极限和直接起爆的临界能量等都可以通过联立爆轰胞格尺寸得到。爆轰胞格结构在研究预混气体爆轰波传播特性方面意义重大,不同初始条件对胞格尺寸都会产生一定的影响,本文通过定性与定量相结合的建模方式研究分析爆轰胞格尺寸与初始条件的关系,根据与实验数据的定量比较,验证定性仿真的正确性和可行性。     

丙烷/空气低温等离子体点火起爆数值研究

为研究脉冲爆震发动机低温等离子体点火起爆机理, 充分考虑丙烷/空气详细化学反应动力学机理, 将低温等离子体点火器放电区等效为高温高压热核, 利用FLUENT 软件内置的层流有限速率化学反应模型, 对脉冲爆震发动机低温等离子体点火后由缓燃转爆震(DDT)的过程进行模拟, 并对该过程进行详细分析。实验结果表明, 将低温等离子体点火器简化成一定压力和温度的火核进行数值模拟是可行的, 压力接近常压, 壁面温度为常温更合理。数值模拟的爆震波发展时间小于实验结果, 考虑到实验时有点火延迟和测量误差, 可以认为实验值符合数值模拟时火核为常压、壁温为常温的计算结果。     

计算炸药爆速的新方法

根据化学动力学原理和炸药爆轰反应机理 ,发展了一种根据炸药分子中原子的种类和数目及装药密度计算炸药爆速的新方法 对大量炸药的计算结果表明 ,爆速计算值与实验值的一致性令人满意 本方法的提出 ,不仅提供了一种计算炸药爆速的新方法 ,而且对探索新型高能炸药具有一定的指导意义     

火焰聚心和激波聚焦诱导爆震波

对几种不同结构形式的爆震发生器进行了数值模拟,来研究激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程。数值计算发现用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程,有利于激波的加强。强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同。对数值计算的结果分析得出了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考。     

沼气爆燃向爆轰转变的化学动力学研究

利用化学动力学及流体力学原理,建立了沼气爆炸状 态参数计算模型,用于计算在巷道内沼气爆燃向爆轰转变过程(DDT)中,系统温度和连锁反 应自由基的变化情况。研究表明,温度和自由基对沼气爆燃向爆轰转变过程起综合性的促进 作用,而自由基团［OH］和CO对这一转变过程有决定性影响。     

基于WENO格式的爆震波传播过程一维数值模拟

用时间算子分裂法来分离普通流体流动和化学反应方程,采用有限体积加权基本无振荡格式构建了带有复杂状态方程的欧拉方程组;提出一种新的熵修正方法EF4,并结合Roe平均格式来解决激波的不稳定问题和间断问题。通过对带有详细化学反应的爆震波传播过程进行了一维数值模拟,获得的爆震波稳定压力以及爆震波传播速度都和理论结果一致,结果表明,WENO有限体积格式可以很好地模拟爆震波传播过程。     

爆轰反应区的能量耗散特性

从非平衡热力学和耗散结构论出发,导出了局部平衡的伴有热传导、黏滞性流动以及多组元反应的爆轰反应区内的能量耗散速率方程. 在多种耗散机制存在反应区内的情况下,视化学反应为主要弛豫过程,并认为爆轰中的化学反应由自由能和耗散函数决定,同时结合变分法和最优控制论中的极大值原理求得化学反应以最快耗散速率达到平衡所满足的条件.      

微爆轰推力器的冲量研究

利用瞬时爆轰假设以及小药量线性近似,假设推力单元内的微量含能材料的爆轰反应在瞬时完成,从理论上计算了微爆轰推力单元在真空中的冲量和推力,并在此基础上研究了含能材料的爆热、产物的等熵指数以及喷管的长度对单元的冲量和推力的影响,并通过数值模拟得到喷管底部压力曲线及单元冲量随喷管药柱长度比的变化.结果表明,推力单元的冲量随装药质量、等熵指数和比爆热的增大而增加;为了获得理想的推进性能,喷管的长度不能小于装药长度的4倍.     

基于改进的CE/SE格式数值分析气相爆轰合成纳米TiO2颗粒的研究

将改进的时空守恒元算法（CE/SE）与一种二步反应模型相结合实现耦合并行计算,实现多元气相爆轰化学反应二维数值模拟. 数值分析结果初步表明,稳定的爆轰流场中气体的密度达到6.4 kg/m³,爆轰波速约1 580 m/s,压力和温度场约为7 MPa和2 560 K,最终获得纳米颗粒大致分布在28~35 nm之间,与实验结果吻合较好. 应用该方法可以成功地模拟气相爆轰过程的爆轰反应特性,而且能够更够准确地模拟爆轰流场纳米颗粒的生长特征.