气相爆轰波形成和传播机制的基础问题研究
  • 【摘要】

    气相爆轰波是通过激波压缩点火,进而通过化学放热实现自持传播的超声速燃烧波。爆轰波具有广泛的应用背景,如爆炸灾害预防和高超声速热力推进系统。由于涉及到剧烈的燃烧反应和多种复杂的流体力学现象,如激波、湍流,目前对于爆轰波的一些基本现象及其物理规律还缺乏深入,系统的研究。本文以数值模拟方法为主,辅以理论分析,通过对爆轰波的形成过程、胞格爆轰波的传播过程、以及爆轰波的发散和会聚过程进行模拟,研究了爆轰波形... 展开>>气相爆轰波是通过激波压缩点火,进而通过化学放热实现自持传播的超声速燃烧波。爆轰波具有广泛的应用背景,如爆炸灾害预防和高超声速热力推进系统。由于涉及到剧烈的燃烧反应和多种复杂的流体力学现象,如激波、湍流,目前对于爆轰波的一些基本现象及其物理规律还缺乏深入,系统的研究。本文以数值模拟方法为主,辅以理论分析,通过对爆轰波的形成过程、胞格爆轰波的传播过程、以及爆轰波的发散和会聚过程进行模拟,研究了爆轰波形成和传播的化学反应流体动力学过程,讨论了激波和化学反应的耦合机制,分析了其中的基本气体动力学现象和爆轰物理机制。
       首先,本文通过模拟激波和燃烧带作用以及两种激波聚焦点火的起爆过程,研究了爆轰波的形成机理。激波和燃烧带作用能够迅速形成爆燃波,并进一步形成强激波完成爆轰波的起爆。结果表明爆燃波面的凸面和凹面附近都能起爆,但是存在不同的化学气体动力学机制。凸面附近主要是燃烧系统自反馈作用下的波面加速过程,而在凹面附近压缩波的会聚诱发的热点爆炸是主要的因素,两者从波动力学过程上具有明显的差异。激波聚焦点火的研究包括环形激波绕射聚焦和平面激波抛物面反射聚焦。环形激波绕射聚焦通过瞬态的热点爆炸形成爆轰波,而在抛物面反射激波聚焦中,存在一种通过前导波面附近的激波和反应区横向耦合形成爆轰波的过程。这种过程利用放热系统的自反馈作用对横向扰动进行增强,是一个渐进的过程,不同于热点爆炸产生的流向激波瞬态增强过程。
       其次,本文通过模拟胞格爆轰波的传播以及爆轰波发散和会聚的非定常传播过程,研究了爆轰波的传播机理。对胞格爆轰波的模拟发现,狭窄管道中的爆轰波存在着一种类似一维脉冲爆轰波的传播模式。这种准一维的爆轰波传播过程中,通过流向的扰动实现前导波面和燃烧带耦合关系的周期性振荡,因而不同于二维胞格爆轰的周期性横波碰撞。关于发散爆轰波的衰减过程的研究结果显示,衰减过程受到波面曲率的影响很大,球面爆轰波的传播速度在有限的距离内会迅速衰减到CJ速度以下,然后逐渐加速趋向于CJ爆轰波,这和平面爆轰波从过驱动爆轰波直接衰减为CJ爆轰波的过程有本质不同。对爆轰波会聚过程的研究显示,相对于激波会聚,燃烧通过改变气体物性参数和化学反应放热来影响爆轰波的传播。对于环形爆轰波绕射聚焦过程中,气体性质的改变能够削弱爆轰波的会聚效果,但是另一方面化学反应放热能够抑制爆轰波绕射的解耦,因此爆轰波聚焦效果更好。
       斜爆轰波有可能在未来的高超声速热力推进系统中得到应用,为此本文对超声速气流中的定常斜爆轰波的结构和稳定性进行了基础性研究。数值结果发现斜爆轰波的结构受到来流马赫数的影响很大,以前文献给出的斜爆轰波结构只是真实结构的一种。模拟观察到了一种包含λ型激波的复杂的斜爆轰结构,在不考虑湍流和边界层作用的情况下这种结构的稳定性得到了证实。
    收起<<

  • 【作者】

    滕宏辉 

  • 【学科专业】

    流体力学

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    中国科学院力学研究所

  • 【导师姓名】

    姜宗林

  • 【学位年度】

    2008

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    气相爆轰波%爆轰波形成%爆轰波传播%数值模拟