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缓燃向爆震的转捩过程(Deflagration-To-Detonation Transition简称DDT)是爆震燃烧机理研究中的关键问题之一,DDT的实现涉及到波系与火焰的相互作用以及波与火焰的发展特性,所以本文从数值模拟角度,对波和火焰的相互作用过程以及各自的发展特性进行了系统深入的研究。
本文以三维方形管道为物理模型,选用带化学反应的Euler方程,采用基元反应模型,考虑了9种组分、20个化学反应式,流动计算采用NND差分格式,应用分裂算法处理流动和化学反应的耦合问题,编译并调试出三维数值计算程序,模拟了有、无障碍物的爆震管中火焰在入射激波和燃烧波的作用下由缓燃向爆震的转捩过程。
光滑管道中的数值模拟结果经分析得到以下结论:反应开始阶段入射激波干扰火焰,促进火焰的发展:火焰充分发展后,火焰压缩波成为促进火焰发展的主要因素,三维管道壁面为压缩波提供了优越的反射条件;压缩波及其反射波与火焰相互促进,具有正反馈的作用;火焰面与管道壁面形成封闭空间,能量和未燃气体积累,为热点、爆震中心的产生提供了条件;三维管道壁面的存在,促进了波与火焰的相互作用,为爆震中心以及爆震波的形成提供了良好的条件:激波马赫数的提高大大缩短了DDT的发生时间和距离。
有障碍物管道中的数值模拟结果经分析得到以下结论;障碍物的存在促进了波与火焰的相互作用,使火焰发展速度大大提高;火焰在障碍物前方滞止,形成高温热点,而火焰面与障碍物之间的区域由于波的不断压缩作用,未燃气体密度、温度都较高,这一特点诱导爆震波的产生:通过障碍物通道时,爆震波在近壁面滞止形成高温高压点火区,而中心部位在周围气流的推动下加速向下游传播,之后随着压力的降低,燃烧效率降低,爆震波衰减,速度降低;在壁面夹角处不断产生的局部爆炸为爆震波提供了能量支持,爆震波在不断的衰减和增强中趋于稳定;第一道障碍物的安放位置较靠前,早期波对火焰的干扰作用比较充分,火焰的发展较快,高温高压热点的出现较早,这有助于DDT的快速产生;阻塞比在0.3~0.6之间的情况下,障碍物都能起到促进爆震中心以及爆震波产生的作用,但这个范围内的阻塞比变化对DDT转捩的影响较小。