基元化学反应一维爆轰波的数值模拟

应用基元化学反应模型对一维氢氧混合气体爆轰波进行数值模拟。采用一端高温高压点火起爆的方式,模拟爆轰波的传播。对一维爆轰波的结构、传播特征以及各个化学组分的变化趋势进行了研究。通过将模拟的结果同国内外的研究结果进行对比,发现了一些规律,为多维爆轰波的数值模拟和脉冲爆轰发动机的研究奠定一定的基础。     

气相爆轰基元反应模型数值模拟

采用基元反应模型和高精度的ENO格式对气相爆轰进行数值研究，对H2／O2／Ar混合气体起爆和爆轰波传播过程的数值模拟结果表明，计算的爆轰波阵面参数和实验相当符合。数值研究的结果还表明，爆轰波反应区中参与反应的不同组分具有不同类型的变化特征。计算结果的精度随着网格尺寸增加而增加，并能保持较好的收敛性。     

CE/SE方法在非定常爆轰计算中的应用

建立了非定常爆轰波的理论模型。根据CE/SE方法的基本思想，推导出适合于求解二维N-S方程的长方形网格的CE/SE方法。对于包含刚性反应源项的守恒方程组，将其分为两部分，其中刚性反应源项单独求解。本文以爆轰管内装填C3H8/O2预混气体为例，数值模拟管内爆轰波的传播过程以及爆轰波脱离爆轰管后流场的图谱。计算结果显示，爆轰波在管内传播时，其波系极其复杂。当爆轰波离开出口后，迅速熄灭为非反应的激波。管外不仅有激波、膨胀波的传播，而且还存在激波与涡的相互作用。数值实践表明，该CE／SE方法可以有效捕获爆轰波与激波等强间断。     

旋转爆轰流场的数值模拟

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-空气预混气和空气的环形旋转爆轰流场,从点火燃烧到发展成旋转爆轰的过程进行了数值模拟。根据数值结果分析了波后流场中爆轰产物受激波、高温和离心力等作用而挤向外壁,形成有利于充入燃料,实现持续稳定旋转爆轰的流场特征。还讨论流场中爆轰波、激波与间断面和内外壁面反射或折射,从而形成多个激波相交的波系特征。为认识和理解旋转爆轰流场,开展旋转爆轰的实验研究等具有现实的指导意义。     

准爆轰波传播机理的探索研究

本文分析了准爆轰波的传播过程与物理机制,提出了一个全新的准爆轰波物理模型,开展了理论分析与数值模拟研究.在该物理模型中考虑了超声速流动化学反应放热造成的动量损失,计算结果表明准爆轰波发展过程是热壅塞的.计算与实验结果的定性吻合表明了本文提出的理论模型是正确的,获得的计算结果是合理的,对于准爆轰波物理机理的讨论是有重要意义的.     

斜爆轰波并行数值模拟的化学加速算法性能研究

考虑基元反应条件下的爆轰波精细结构的数值模拟计算量巨大,发展高精度和高效率的计算方法十分必要.以Ma=7的H2/O2/N2预混气来流形成的斜爆轰波为数值模拟对象,研究了一种基于并行计算架构的用于加速化学反应计算的建表算法的计算性能,考察了不同建表策略,即TP(Transposed processing)策略和PLP(P...     

曲面激波诱导斜爆轰的数值模拟

为了研究恰当比预混氢气-空气斜爆轰流场的波系结构和流动特征,基于带化学反应的Navier-Stokes方程,对弹头及楔穿越预混气体时诱导的斜爆轰进行了数值模拟。对流项的离散采用Steger-Warming格式,时间项采用二阶Runge-kutta方法。结果表明,对于弹头：（1）在亚爆轰条件下,能够模拟氢气-空气预混诱导爆轰流场的精细结构;（2）在超爆轰条件下,通过精细调整网格,能够很好地分辨强烈耦合的激波和燃烧波,且与Lehr实验吻合良好。对于楔结构：捕获到了清晰的三波点及其复杂精细的斜爆轰流场结构,预测的诱导燃烧距离、激波角和斜爆轰角与实验吻合良好;通过对流场波系结构变化过程的研究,获得了流场三波点随时间的演化过程。     

圆柱坐标系下连续旋转爆轰发动机的数值模拟

使用两步化学反应模型对连续旋转爆轰发动机(Continuous rotating detonation engine,CRDE)进行了二维数值模拟研究。数值计算获得了同轴圆管腔中间层曲面上连续爆轰的多个循环过程。分析了燃料入射、提前燃烧、爆轰波结构和波传播速度等几个关键问题。计算获得燃烧室内流场结构与之前实验研究结果定性符合。计算中燃料以最大1400m/s沿轴向入射,爆轰波可约以2400m/s沿周向连续循环传播。计算的燃烧室内爆轰波循环频率约为2300Hz。     

高速飞行弹丸诱导的三维爆轰波数值模拟

采用三维非定常化学反应控制方程组对驻定在带攻角高速飞行弹丸上的斜爆轰波流场进行了数值模拟。对流项和化学反应项采用时间分裂法,分别用TVD格式和基元反应模型进行处理。计算结果表明三维数值模拟可以更准确的描述弹丸飞行攻角对爆轰波的形成及结构的影响,是进一步研究超驱爆轰推进技术的重要手段。     

采用改进的CE/SE方法模拟方管中氢氧爆轰波的稳定传播结构

采用改进的时空守恒元/解元（CE/SE）格式和新型二步化学反应模型,对小扰动情况下方管通道中的氢氧气相爆轰传播过程进行了数值模拟,对不同截面尺寸和两种扰动模式下的爆轰波三波线结构进行了详细计算和分析。数值模拟花费了相对较少的计算代价,清晰地得到了方形截面通道中3种相对稳定的爆轰波传播结构,即直角模式、对角模式和螺旋模式。随着截面尺寸的减小,爆轰波胞格图样与波阵面结构随之产生适应性的变形,乃至出现胞格数目的减少和部分三波线的消失;最终,直角模式和对角模式都会转化为顺时针或逆时针的螺旋模式;临界尺寸下,得到了转换过程中新的过渡结构和压力脉冲振幅的变化,并以此初步讨论了直角和对角传播模式的稳定性。     

DSMC量子动理学化学反应模型的数值模拟

为评估直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法中新近发展的一种量子动理学（QK）化学反应模型,在自研高超声速稀薄气体流动数值模拟软件RariHV中实现该模型,并进行了单个绝热单元内的热泳平衡/非平衡反应测试。结果表明,数值解与理论解吻合良好,QK模型具有很好的预测化学反应流动的能力。为进一步验证QK模型在真实流动中的表现,还计算了高超声速绕圆柱的化学反应流动,QK模型计算的驻点线上温度和组分分布都与总碰撞能（TCE）模型结果吻合良好。相较于TCE模型,QK模型的优势是不再依赖反应速率系数的实验数据,在深空探测等化学反应数据缺乏的领域具有一定的应用前景。     

二维爆震波数值模拟

针对爆震发动机的多维效应,利用CFD计算软件对单管脉冲爆震发动机进行了二维的数值模拟。以氢气和氧气混合物为例,仿真了爆震波在管内的传播过程以及传出管外后的流场情况。模拟所得的爆震波参数与文献中的计算结果和实验值基本一致,验证了模拟的正确性。爆震波传出爆震管后退化成一道激波,对该激波的流动情况进行了分析。     

脉冲爆震发动机喷管流动的数值模拟

为了研究喷管形状及充气状况对脉冲爆震发动机推进性能的影响,发展了基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积程序,对影响脉冲爆震发动机推进性能主要过程进行了数值模拟,计算结果和相应的实验结果较为一致。锥形喷管的算例表明,不仅锥角对喷管性能有重要影响,而且同一锥角下喷管内的充气状况对喷管性能也有重要影响。在喷管内充空气情形下,爆轰波进入喷管后迅速衰减为激波,扩张管道的超声速膨胀使得喷管壁面压力显著下降,从而削弱了喷管提高脉冲爆震发动机推进性能的作用。在喷管内充燃气情形下,爆轰波进入喷管后可一直维持到喷管出口,显著提高了脉冲爆震发动机的推动性能。     

旋转爆震波发动机二维数值模拟

采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H2/Air预混气旋转爆震发动机内流场进行了二维数值模拟。模拟结果给出了不同发动机尺寸条件下的详细起爆过程,结果表明当发动机尺寸小于临界直径时无法成功起爆;详细分析了流场结构和爆震波形状,旋转爆震波的传播速度与理论预测值吻合;性能分析结果表明在喷注总压低于燃烧室平均压力时仍可实现推进剂喷注,没装尾喷管的情况下发动机比冲达到176.5s。     

脉冲爆震发动机快起爆的二维数值模拟

为研究脉冲爆震发动机的点火过程，用二维欧拉方程和Korobeinikov两步爆震模型对爆震波快起爆过程进行了数值模拟研究。用高温高压未燃气体点火方式来模拟试验中的电火花塞点火。研究表明：电火花塞的能量不足以直接点燃爆震波，爆震波是在经历了一系列反射激波的相互作用后最终建立的。激波．爆震波转捩是快点火过程，是爆震波建立的一个非常重要的机理。在设计点火装置时，火花塞要尽可能靠近壁面和拐角，以便产生高强度的反射激波。同时还要控制反射激波的方向，使之向未燃气体中顺利传播，才能起到很好的点火效果。     

连续旋转爆轰发动机流场三维数值模拟

对连续旋转爆轰发动机(continuous rotating detonation engine,简称CRDE)流场进行了三维数值模拟.数值计算获得同轴圆管腔内CRDE的多个爆轰循环过程.依据计算获得流场,分析了可燃气入射、提前燃烧、爆轰波结构等实现连续爆轰的几个关键机理问题.通过多个算例对不同来流总压时的旋转爆轰的推进性能进行了比较与分析,最后计算获得基于燃料的比冲约为2 200 s,燃料流量随总压变化呈线性增长.      

气相爆震波衍射现象的数值研究

对不同条件下气相爆震波在突扩管道和带扩散段管道中的衍射过程进行了数值研究.结果表明:起爆管的直径和临界爆震管直径对爆震波能否成功衍射传入主爆管起到决定性的作用.壁面反射激波与爆震波相互作用在邻近壁面处产生高温、高压区域,有助于减少爆震的诱导时间以及横波间距.扩散段扩散角越小时,反射激波强度越大.高强度的反射激波会将爆震波分为3段,在分界点处产生高温、高压点,对爆震波的衍射传播起到支持作用.      

气相爆轰波传播特性的数值模拟及实验对照

本文应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波进行了二维数值模拟.氢氧混合物的化学反应模型考虑了8种组分20个反应方程式.在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法.本文首先对爆轰波数值结果和实验结果进行了对照验证,然后对爆轰波在楔面反射由马赫反射向规则反射转变的过程进行了数值分析,得到了反射转变临界角,并和实验结果及理论分析进行了比较,结果是令人满意的;本文还对爆轰波的多波结构进行了初步的数值分析.