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.     

T型管内爆轰流场演变的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对2H_2/O_2/Ar系统在T型管内的传播进行了研究。用二阶附加半隐的RungeKutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波分别在静止系统和流动系统中传播过程,得到了爆轰流场纹影、压力及数值胞格结构。结果表明:爆轰波进入水平管的爆轰波左右两侧发生衍射,导致爆轰波熄灭。诱导激波与上壁面碰撞反射诱导左右两侧爆轰波重新起爆,横向爆轰波阵面的小扰动进入马赫波,强度逐渐放大,最终波阵面上出现胞格结构。由于下壁面拐点附近出现爆轰"死区",下壁面爆轰波的产生比上壁面稍晚。     

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。     

详细化学反应模型中温度修正项特性研究

本研究主要讨论了爆轰过程中混合气体比热比的变化、详细化学反应模型中温度修正项的函数表达形式、以及活化能对化学反应动力学特性的影响.通过对传统Arrhenius定律的分析完善,提出了具有温度指数修正的总包一步爆轰计算模型.采用几个常用的爆轰计算模型,对满足化学当量比的H2/Air混合气体,开展了爆轰特性的数值模拟对比研究.计算结果表明,新提出的爆轰计算模型能够得到的胞格尺度与实验值符合良好,首次实现了爆轰波胞格尺度的定量数值模拟.论文进一步建立了总包反应模型与详细化学反应模型之间的关系,讨论了详细化学反应模型中温度修正项的物理意义.     

变截面管道中爆轰胞格演变机制的数值模拟研究

应用频散可控耗散格式和基元化学反应模型模拟了二维爆轰波在变截面管道中的传播过程;研究了由于流动压缩和膨胀的影响,近壁面区域爆轰波横波和胞格的演变规律;通过分析爆轰波后气体组分变化、化学反应速率、反应区尺度和热力学参数,探讨了两种异常爆轰波的传播机制及其化学反应、反射激波和稀疏波在这些异常爆轰波发展和胞格演化过程的作用．     

改进型WENO格式的一维爆轰波数值模拟

基于3种改进型加权本质无振荡（WENO）格式,以5阶的WENO-Z格式为参考,采用与经典WENO格式不同形式的非线性权重计算方法,对稳定、中度不稳定和高度不稳定状态下的1维爆轰波系统进行了数值模拟,克服了经典的WENO格式在计算临界点时精度降低的问题.数值实验表明,对于3种状态下的爆轰系统,基于Lagrange多项式重构的WENO-Zη格式计算稳定性好,模拟效果与WENO-Z格式较为一致,比较适合于爆轰波的数值模拟.对于稳定和中度不稳定的爆轰系统,WENO-NS格式和WENO-P格式在数值模拟中会出现小的数值振荡,但计算稳定;而对于高度不稳定爆轰系统,WENO-NS格式计算不稳定,其改进形式WENO-P格式计算稳定性较好.      

发动机爆震室气液两相爆轰性质

利用爆轰波产生周期性冲量是脉冲爆震发动机推进系统的关键.建立非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,以正庚烷液体燃料为例,采取高分辨率的MUSCL(monotonic upwind scheme for conservation law)格式,针对发动机爆震室气液两相爆轰的热力、动力学性质展开数值研究,计算所得的爆轰波压力与实验结果较为一致,且基于较小粒径的燃料液滴(25μm),计算爆轰波C-J(Chapman-Jouguet)状态对应的爆轰参数与理论值接近,验证了建立的模型和研究方法是正确的.同时,讨论爆轰管内燃料液滴粒径对爆轰波参数的影响.结果显示,在均匀预混时,液滴破碎蒸发域宽度仅与燃料初始粒径有关.随着燃料初始粒径的增大,液滴破碎蒸发域宽度增加,且两者存在线性关系.同时,当燃料初始粒径从25μm增大至100μm,爆轰波反应区宽度增大了240%,而爆轰的压力峰值从7.08 MPa降低至5.14 MPa.     

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.     

不同曲率弯管对气相爆轰波传播特性的影响

采用附加Runge-Kutta方法,5阶加权无震荡格式和基元反应模型,对规则爆轰波在15°,20°,30°,40°,45°,60°光滑弯管的传播过程进行了数值模拟. 本文采用的基元反应模型是9组分48反应模型,反应气体为满足化学当量比的H₂/O₂混合气体,并用氩气稀释. 分析数值模拟结果发现所有弯管胞格结构都从规则变为不规则,随着弯角度数的增加,爆轰胞格结构从有到消失,爆轰波从没有熄爆区到有熄爆区,30°是有无胞格消失区、产生熄爆与非熄爆的临界度数;在一定压力下,大于30°的弯管下游都会产生重新起爆的现象;由于弯管的复杂性,爆轰波的反射在下壁面存在马赫反射和规则反射两种模式.     

楔面角度扰动对斜爆轰结构的影响研究

为研究楔面角度扰动对斜爆轰波结构的影响,采用两步法反应模型建立了二维反应Euler方程组,在LevelSet函数中引入时间变量用于描述运动楔面边界,开展了楔面角度扰动对斜爆轰影响过程的数值模拟,仿真结果表明:楔面角度增加时,诱导区变短,突跃过渡斜爆轰演变成平滑过渡斜爆轰,斜爆轰波角度增加并向上游移动;楔面角度减小时,诱导区变长,平滑过渡斜爆轰演变成突跃过渡斜爆轰,斜爆轰波角度减小并向下游移动;演变过程包含复杂的波系变化.      

焦炭粉-氧气混合物爆燃向爆震转捩的数值模拟

根据化学反应和两相反应流体动力学理论,建立了焦炭粉氧气混合物燃烧波在一维封闭空间内的爆燃爆震转捩现象的数学模型,运用坐标变换和MacCormack两步显式差分格式,成功地完成了过程的数值模拟·清楚地诠释了气固两相混合物中DDT现象的转变机制:激波诱导、激波生成、激波加强及至稳态爆震·转变过程受初始温度场、压力场、粉尘浓度和颗粒尺度的影响     

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.     

强耦合薛定谔系统的多辛整体保能量方法

首先基于二阶平均向量场方法和拟谱方法构造了强耦合薛定谔系统的多辛整体保能量格式,然后利用多辛整体保能量格式数值模拟系统孤立波的演化行为,最后数值结果表明多辛整体保能量格式可以较好地模拟强耦合薛定谔系统孤立波的演化行为,还可以精确保持系统的整体能量守恒特性.     

管道内障碍物扰动对煤气爆炸特性影响的数值模拟

结合实验研究,采用迎风型WENO格式和两阶段化学反应模型就管道内障碍物对煤气/空气预混气体爆炸火焰的影响规律进行了数值研究,探讨了自管道右端面反射产生的压缩波与火焰传播的相互作用规律,得出了该反射波是造成火焰速度下降的原因.在此基础上,分析了障碍物对火焰的作用机理以及由此诱发的流场变化规律.结果表明,由于障碍物的加入,爆燃波发生多次反射,使得可燃混合气体得到充分压缩,温度和压力增加,化学反应速率提高,火焰强度得到加强.同时,从障碍物中传播出去的爆燃波经壁面反射后形成三波点,使得该处火焰速度升高,随着三波点的向前传播,由于能量的耗散,火焰速度逐渐下降.这些结论为爆炸场预估、防火防爆和爆轰推进中有效控制可燃气体的燃烧速率和火焰传播速度提供了重要的理论依据.     

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.     

高精度格式溃坝波模拟

采用高精度WENO和MWNEO格式对二维浅水方程变量进行数值重构,研究分析高精度格式捕捉溃坝波的能力和分辨率.对浅水方程,采用Roe-Riemann格式和波传算法进行数值离散,并与以上2种重构方法两两结合成4种计算方法.采用Fortran语言分别对其进行编程计算.计算结果显示,高精度格式在捕捉溃坝瞬时基波延续推进的过程较好.在4种计算方法计算结果中,MWENO型波传格式模拟结果最好,捕捉溃坝波能力强,分辨率很高.     

高精度WENO和MWENO格式溃坝波模拟

采用高精度WENO和MWENO格式对二维浅水方程变量进行数值重构,研究分析高精度格式捕捉溃坝波的能力和分辨率.对浅水方程,采用Roe-Riemann格式和波传算法进行数值离散,并与以上2种重构方法两两结合成4种计算方法.采用Fortran语言分别对其进行编程计算.计算结果显示,高精度格式在捕捉溃坝瞬时基波延续推进的过程较好.在4种计算方法计算结果中,MWENO型波传格式模拟结果最好,捕捉溃坝波能力强,分辨率很高.     

甲醇空气预混层流燃烧的简化化学反应动力学机理

基于甲醇氧化的详细反应历程,利用敏感性分析的方法,提出了一个用于描述甲醇空气预混层流燃烧速度的包含18种组分、28步基元反应的简化化学反应动力学机理.研究发现,在甲醇的氧化过程中,甲醇的分解反应及H、OH等自由基的链锁反应具有十分高的敏感性,其中HCO+M和H+O2分别是产生H、OH自由基的主要反应.计算结果与实验结果对比表明,该简化机理可以较合理地模拟当量比为0.6～1.2以及不同初始温度下的层流燃烧速度和火焰结构.与详细机理相比,该机理更适合与CFD三维数值模拟软件耦合.     

影响气相爆轰波稳定性边界的通用两步反应模型参数分析

为了建立可靠的爆炸预测和分析模型,采用两步诱导-放热反应模型,数值模拟了不同参数条件下的一维爆轰波振荡过程。通过分析各参数与爆轰波面压力振荡模态的关系,寻找稳定振荡模态对应的临界参数,获得了由诱导区活化能EI、放热区活化能ER和反应速率常数kR构造的一维爆轰波稳定性边界。计算结果表明:增大EI和kR,或减小ER,会促进一维爆轰波向不稳定发展;对于给定的EI,稳定性边界对应的ER越大,与之匹配的kR也越大;在合理的参数范围内,EI越大,ER和kR满足一维爆轰波稳定的取值范围越小;EI在15.25~20.25区间内,稳定性边界对kR的变化比较敏感;EI在20.25~25.25区间内,稳定性边界对kR的敏感程度大大降低。研究获得的稳定性边界,可为将来利用两步反应模型研究多维爆轰波稳定性的参数选择提供参考,据此建立的爆炸预测模型,可以应用于爆炸现场分析及还原,爆炸物销毁现场方案制定和风险评估,搜排爆防护装备的研发改进,以及隔爆抑爆技术研究等领域。     

基于曲线坐标系下缓坡方程模拟近岸波浪及波生流

为了更好地模拟曲线边界等不规则岸线附近,波浪传播及其破碎后形成的波生流问题,该文建立了正交曲线坐标下近岸波浪和波生流耦合数值模型;即采用可综合考虑近岸区波浪反射、折射和绕射等效应的双曲型缓坡方程计算波浪场,采用近岸深度平均的二维浅水方程计算波生流场,应用辐射应力的概念,使波浪模型为流场模型提供驱动力.波浪和波流模型基于相同的正交曲线网格,应用高效的ADI有限差分格式进行数值求解.将曲线坐标系下的耦合模型应用到半圆形水槽和凹型水槽两个物理模型中,数值模拟的结果分别和解析解、实验值及已发表的数值结果做了比较.模型实验验证表明,该文建立的数值模型比较准确、有效,可以应用到防波堤和河口等具有复杂边界和复杂地形的实际海域.