近年来工业爆炸灾害频繁发生,给人民的生命财产安全带来严重威胁,预防和控制工业爆炸事故成为目前急需解决的问题。另一方面,随着脉冲爆轰发动机、旋转爆轰发动机以及斜爆轰发动机等推进技术的不断发展,急需对气相爆轰的传播机理进行全面系统研究,进而为推进装置的设计提供理论基础。因此,气相爆轰研究在工业爆炸事故预防以及爆轰推进技术领域具有重要的研究意义。气相爆轰过程不仅是一个流体动力学过程,还包括复杂的化学反应,包含着一系列相当复杂的物理机理,是一个强非线性、多尺度、物理化学强耦合的过程,研究难度极大。本文主要研究工作和创新点如下:(1)基于最新的氢氧8组分20步基元反应模型,建立了描述气相爆轰的多组分反应欧拉方程组,自主编写了守恒形式的高精度大规模气相爆轰并行程序,对多维大尺度爆轰问题进行了数值模拟研究。其中空间对流项的离散采用五阶精度的加权本质无振荡(WENO)格式,时间项积分采用显隐式Additive Runge-Kutta格式。空间对流项与化学反应源项之间,以及各个化学反应源项之间时间尺度差别很大,多组分欧拉方程出现严重的刚性问题,该程序能够较好的处理方程的刚性问题,且能够保证物理量的守恒性,在爆轰数值模拟中具有明显的优势。利用对流反应方程验证了Additive Runge-Kutta格式在处理方程刚性方面的优越性。利用编写的高精度程序对一维爆轰波传播过程进行了数值模拟,研究了网格尺寸对数值模拟结果的影响,给出了爆轰流场特性参数及爆轰过程中各组分的变化情况。数值模拟了二维爆轰波在直管道中的传播过程,给出了爆轰波的精细结构及爆轰波阵面附近基元浓度分布,进一步验证了该程序在爆轰数值模拟方面的可行性和优越性。(2)利用守恒形式的高精度大规模并行程序对浓度梯度下爆轰波传播问题进行了数值模拟,重点研究了浓度梯度对爆轰波传播机制的影响。结果表明,浓度梯度对爆轰波的传播机制有重要影响。浓度梯度较小时,爆轰波的传播机制与浓度均匀分布的爆轰波传播机制基本相同,爆轰波通过三波点相互碰撞自持传播;随着浓度梯度的增加,爆轰波阵面在下壁面发生马赫反射,形成马赫杆结构,爆轰是通过三波点和马赫杆的共同作用自持传播;浓度梯度增大到一定值后,爆轰波在非马赫杆区域发生熄爆,爆轰波完全是通过马赫杆产生的过驱爆轰波起爆解耦区域来维持。此外研究还发现,管道宽度对浓度梯度下爆轰波传播机制有重要影响。当宽度不大于36mm时,浓度梯度下爆轰波在壁面处只可能存在两种类型的相互作用,一种类型是爆轰波没有在壁面处发生反射,波后流动状态改变了爆轰波阵面的形状,另一种类型是爆轰波在壁面处发生马赫反射。当管道宽度不小于72mm时,浓度梯度下爆轰波在壁面处存在三种类型的相互作用,除了管道宽度较小时的两种类型外,当爆轰波倾斜角足够大时,爆轰波在壁面处发生规则反射。(3)利用守恒形式的高精度大规模并行程序研究了脉冲爆轰发动机凹面腔内的激波聚焦起爆过程,重点研究了半球型、半椭球型和圆锥型三种结构的凹面腔的激波聚焦起爆过程,分析了不同凹面腔结构的激波聚焦起爆规律。结果表明,三种结构的凹面腔均实现了激波聚焦起爆过程,且聚焦中心基本均位于中轴线上,其中半椭球凹面腔的激波聚焦效果最为明显,聚焦中心位置最为靠前。三种结构的凹面腔实现聚焦起爆时间不同,其中圆锥凹面腔最早实现聚焦起爆,半球凹面腔次之,半椭球凹面腔最晚实现聚焦起爆。三种结构的凹面腔均实现了循环起爆,其中,圆锥凹面腔的工作频率最高,半球凹面腔的工作频率次之,半椭球的工作频率最低。(4)利用守恒形式的高精度大规模并行程序,对三维爆轰问题进行了数值模拟研究,其中首次将守恒形式的显隐式Additive Runge-Kutta格式应用于三维爆轰数值模拟问题中。重点研究了不同宽度管道内和不同扰动下爆轰波的传播模式。研究发现,与二维数值模拟相比,三维数值模拟不仅计算域大大增加,而且为描述清楚三维爆轰流场的全局特征和爆轰波阵面结构,需要更加精细的网格精度,造成三维爆轰数值模拟的计算量极大。此外研究还发现,不同扰动方式下,三维爆轰呈现出不同的传播模式,对于研究的三种不同宽度的管道,爆轰波在横向余弦扰动下以矩形模式传播,在壁面上形成“拍波”结构,在对角余弦扰动下则以角形模式传播,在壁面上不能形成“拍波”结构。随着管道宽度加倍,爆轰波阵面上三波线数量也随之翻倍。