气相爆轰波传播过程中的典型问题研究9787568298599

第1素 绪论

1.1爆轰波的结构

1.2爆轰波的不稳定性

1.3爆轰波的传播机理

1.4爆轰波的空间尺度

1.4.1反应区宽度

1.4.2胞格尺寸

1.4.3流体动力厚度

1.5爆轰波与边界的相互作用

1.5.1气相爆轰波的楔面马赫反射

1.5.2气相爆轰波的曲面反射

1.5.3气相爆轰波的衍射

1.5.4气相爆轰波反射和衍射的相互作用

1.6章节安排

第2章控制方程和基本理论模型

2.1 多组分气体热力学

2.2多组分反应流控制方程组

2.2.1苗卡儿坐标系下的形式

2.2.2曲线坐标系下的形式

2.2.3物理边界的分类

2.2.4控制方程的无量纲化

2.3化学反应动力学

2.3.1基元反应机理

2.3.2 CHEMKIN程序包

2.3.3 TRANSPORT程序包

2.3.4简化反应模型

2.4平面ZND稳态结构

2.5爆轰波楔面反射模型

2.6本章总结

第3章爆轰数值计算方法和技术

3.1有限差分格式

3.1.1双曲型方程定解问题的离散

3.1.2相容性、收敛性和稳定性

3.1.3修正方程、耗散和色散

3.1.4双曲型方程的弱解和熵条件

3.1.5双曲型方程的经典差分格式

3.1.6高精度的ENO格式和WENO格式

3.2时间离散格式

3.2.1常微分方程求解器

3.2.2刚性常微分方程求解器

3.2.3时间算子分裂算法

3.2.4 Runge -Kutta 隐式类算法

3.3边界处理方法

3.4MPI并行计算方法

3.4.1并行机内存共享方式

3.4.2MP并行计算基础函数

3.4.3并行程序设计美键问题

3.4.4动态并行计算技术

3.4.5并行程序基本结构

3.4.6二维并行爆轰程序

3.5 自适应网格和AMROC

3.6程序的验证

3.7本章总结

第4章ZND爆轰波的马赫反射

4.1引言

4.2数值方法和计算设置

4.3激波的楔面反射

4.4ZND爆轰波楔面反射

4.4.1反应的马赫杆

4.4.2马赫反射三波点轨迹线

4.5极限楔面角度

4.6本章总结

第5章胞格爆轰波马赫反射的数值模拟研究

5.1引言

5.2数值模拟设置

5.3胞格结构和三波点轨迹线

5.4尺度效应

5.5爆轰不稳定性的影响

5.6横波结构的相互作用

5.7本章总结

第6章爆轰波楔面反射实验研究

6.1引言

6.2实验设置

6.3马赫反射的胞格结构变化

6.3.1三波点轨迹线

6.3.2局部自相似性

6.3.3三维效应

6.4马赫杆的三维演化和稳态过驱爆轰波

6.5本章总结

第7章爆轰波的凸面反射

7.1引言

7.2爆轰波凸面反射实验研究

7.2.1实验设置

7.2.2实验结果分析

7.3基元反应模型数值模拟研究

7.4两步反应模型数值模拟研究

7.5本章总结

第8章气相爆轰波的衍射

8.1引言

8.2爆轰波衍射的理论分析

8.3数值模拟设置

8.4稳定爆轰波的拐角衍射

8.5不稳定爆轰波的拐角衍射

8.6本章总结

第9章爆轰波反射和衍射的相互作用

9.1 引言

9.2数值模拟设置

9.3爆轰波弯管中的反射和衍射

9.3.1 数值胞格模式

9.3.2反射和衍射下的波阵面结构变化

9.4曲率半径对爆轰波传播的影响

9.5 本章总结

第10章总结和展望

参考文献

附录A 正激波间断关系

附录B斜激波模型

附录C 斜爆轰波模型

  爆轰波可以在气相、液相和凝聚相介质中存在。本书只涉及气相介质中的爆轰波，因为它们比凝聚相介质中的爆轰波更容易理解。气相爆轰与凝聚相爆轰有许多相似之处，由于凝聚相爆轰的爆压远高于凝聚态炸药的材料强度，气相爆轰的流体力学理论同样适用于凝聚相爆轰。然而，材料的非均质性、孔隙率和晶体结构等特性在凝聚相爆轰中起着更重要作用[1-3]。

爆轰波是超声速的燃烧波，跨越其波阵面热力学状态急剧变化。它可以被认为是一道在很短的时间内将反应物转化成产物并释放能量的反应激波。爆轰波相对于波前状态是超声速的，因此在其波阵面到达前波前反应介质不受影响，这与火焰波的传播机理有所不同。爆轰波同时也是一道压缩波，因此其波阵面后的粒子速度方向与爆轰波一致，这也与属性为稀疏波的火焰波不同。质量守恒要求爆轰波后存在一条稀疏波紧跟其后，称为Taylor(泰勒）波。因此自维持爆轰波后的稀疏波会削弱粒子移动速度以匹配波后的边界条件。反应介质的点火由爆轰波前导激波的绝热压缩实现。前导激波之后诱导区发生反应物的解离和自由基的生成，虽然这一过程是吸热的，但是其热力学状态变化通常很小。在诱导区之后为反应区，自由基发生聚合反应，伴随着放热和温度升高，同时压力和密度下降。因此，爆轰波通常被认为是一个紧密耦合的激波一燃烧复合体。反应区内的压力快速下降，以及其后膨胀波中的进一步压降，提供了爆轰波向前传播的推力。因此，自维持爆轰波传播的经典机制是由前导激波诱导点火，进而由后方的产物膨胀推动前进，这与一些爆轰推进系统的工作机制类似。

  低速爆燃波在反应介质中的传播机理通常是通过热和质量的扩散实现的。反应阵面附近的温度和化学物质浓度存在梯度，使得热量和自由基物质从反应区输运到波前介质中，从而影响点火过程。因此，与爆轰波是压缩波不同，低速爆燃波本质上是一种扩散波，而且是亚声速的，它的速度与扩散率和反应速率的平方成正比。即使爆燃波波阵面是湍流态的，依然可以在一维框架下通过定义湍流扩散系数来描述输运过程，从而得到一个确定的传播速度。爆燃波本质上是不稳定的，并且存在许多不稳定机制，这使得其波阵面更混乱，表现出更多的湍流特性，进而通过增大反应速率而加速。当边界条件允许时，爆燃波会转变为爆轰波。在完成向爆轰波的转变之前，湍流爆燃波可以突破声速进而达到更高的传播速度。通常高速爆燃波，即指DDT(爆燃转爆轰）过程中加速中的爆燃波。当爆轰波在非常粗糙的壁管中传播时，其传播速度可以大大低于正常的C-J(Chapman-Jouguet）速度。这些低速爆轰被称为“准爆轰波”(quasi -detonationwave)，高速爆燃波和准爆轰波的速度谱可以重叠。这些波的复杂湍流结构相似，表明它们的传播机制也可能是相似的。因此，很难对它们做出明确的区分。

本书涉及的气相爆轰波的反射和衍射问题是气相爆轰物理研究领域重点关注的研究方向，主要涉及气相爆轰波的基础理论和模型、数值模拟方法和实验技术、ZND和胞格爆轰波的楔面反射和曲面反射、多维胞格爆轰波的衍射以及复杂管道中爆轰波反射和衍射的相互作用问题。本书重点讨论气相爆轰波马赫反射和衍射问题涉及的激波动力学、化学反应动力学、爆轰不稳定性和特征尺度效应等关键问题。在进行爆轰波的反射和衍射研究的过程中，本书特别重视尺度效应的影响。在空间尺度的参与下，物理过程可能会非常复杂。但是利用一些无量纲的参数去消除某些空间尺度的影响，可以得到一些普遍性的规律，或者局部的自相似性。