爆炸性气体爆轰形成机理的数值模拟研究

This project investigates flame acceleration， deflagration to detonation transition (DDT) and stability of detonation for prevention of disasters resulting from explosive gas explosion and detonation propulsion design. Detailed research contents are as follows: (1) a composite reaction model that can describe the time-space properties of energy release at different stages of flame acceleration and DDT is established; (2) governing equations considering chemical reaction, thermal conduction and viscosity, including fluid dynamics equations, state equation and mass fraction equation are built; (3) conservative high accuracy and positivity-preserving numerical schemes is constructed, its convergence and stability is tested, and high resolution parallel code is developed; (4) the mechanism of flame acceleration and DDT is investigtaed,the interaction of turbulent effect in boundary layer with laminar flame acceleration and DDT is revealed;the mechanism of turbulent flame acceleration,the mechanism of chemical reaction and flow instability and interaction of shock wave with flame are established; correlation mechanism of turbulent transport effects and formation of hot spot is established; correlation mechanism global and internal structure characteristics of flame under different scale eddies is revealed;the distance of DDT and the factors of effect on detonation stability are given. Investigations on this project can improve the theory of combustion and detonation, and provide a scientific basis for prevention of disasters resulting from gas explosion and detonation propulsion design.

本项目针对爆炸性气体爆炸灾害预防和防治以及爆轰推进设计的要求，对火焰加速、爆燃转爆轰以及爆轰稳定性进行研究。具体开展如下研究：(1)建立能够准确描述火焰加速和爆燃转爆轰不同阶段能量释放时空特性的混合反应模型；(2)建立考虑粘性扩散和热传导的化学反应流体动力学的控制方程组；(3)构造守恒型高精度保正计算格式，并对其收敛性、稳定性进行相关的验证，研发高精度并行计算程序；(4)研究火焰加速和爆燃转爆轰过程，揭示边界层内的湍流效应对层流火焰加速和爆燃转爆轰的作用机理，建立湍流火焰加速机制、化学不稳定与流动不稳定原理、激波与火焰的作用、湍流输运效应与热点形成的关联机制，揭示不同尺度涡结构下火焰全局特性、内部结构特征以及火焰失稳机理的相互关联机制，确定爆燃转爆轰距离，给出影响爆轰稳定性的因素；本项目的研究可完善气体燃烧与爆轰理论，为可燃气体爆炸灾害的预防和防止以及爆轰推进设计提供重要的科学依据。

爆炸性气体爆炸是危害人类生产和生活的一类主要事故,开展火焰加速机理、爆燃转爆轰机理和爆轰的形成机理与稳定性的研究,对于工业爆炸灾害预防和防治以及爆轰推进的设计具有重要的意义。本项目针对爆炸性气体爆炸灾害预防和防治以及爆轰推进设计的要求，对上述科学问题进行了研究。一是建立了能够准确描述火焰加速和爆燃转爆轰不同阶段能量释放时空特性的混合反应模型，既能够准确地描述爆炸性气体浓度随时间和空间变化，以及火焰加速和爆燃转爆轰过程不同阶段能量释放特征，又能进行较大规模的计算；二是建立了考虑粘性扩散和热传导的化学反应流体动力学的控制方程组，包括流体动力学方程、状态方程以及反应物质组分方程；三是构造了守恒型高精度保正计算格式，并对其收敛性、稳定性进行相关的验证，研发了高精度并行计算程序，该研究不仅具有重要的理论价值，而且具有较强的工程应用背景；四是研究了火焰加速和爆燃转爆轰过程，揭示了边界层内的湍流效应对层流火焰加速和爆燃转爆轰的作用机理，建立了湍流火焰加速机制、化学不稳定与流动不稳定原理、激波与火焰的作用、湍流输运效应与热点形成的关联机制，揭示了不同尺度涡结构下火焰全局特性、内部结构特征以及火焰失稳机理的相互关联机制，确定了爆燃转爆轰距离，给出了影响爆轰稳定性的因素；五是开展了大量的相关实验，利用水平管道，采用高速运动分析系统、高速相机等测出了层流火焰成长到爆燃转爆轰的整个过程，研究了湍流火焰结构和流动特征，并且利用温度、压力测试系统测试火焰加速过程中温度和压力的随时间的变化历程，并且将实验结果与数值模拟进行了细致的比对，计算结果与实验结果吻合的较好。本项目的研究完善了气体燃烧与爆轰理论，为可燃气体爆炸灾害的预防和防止以及爆轰推进设计提供重要的科学依据。