多因素耦合作用下运动激波反射流场的数值模拟与理论研究

Moving shock reflection is a common physical phenomena in compressible flow, and plays an important role in blast impact damage, gaseous detonation and inertial confinement nuclear fusion. In these engineering problems, the shock reflection flow is influenced by multiple factors, like unsteady incident shock, combustion heat release and boundary layer. In this project, the effects of these factors in moving shock reflection flow are investigated numerically and theoretically. This project will reveal these factors respective roles and physical mechanism, and then explore their coupling effects. This project attempts to expand the theory of pseudo-steady shock reflection to a common condition with considering these factors. In this project, these factors are discussed in the problem of blast wave reflection and gaseous detonation waves. The flow structure parameters, like trajectories of triple point and deformation of Mach stem, are extracted to show the detail factor influences. This project is not only a complement of the original shock reflection theory, but also conducive to the development of detonation heat propuision and blast impact and protection.

运动激波反射是可压缩流动中常见的物理现象，在爆炸与冲击毁伤、气相爆轰及惯性约束核聚变等领域有着广泛而重要的应用背景。在这些物理现象中激波反射流场往往受多种因素耦合作用影响。本项目通过数值模拟和理论分析相结合的方法对运动激波反射中非定常效应、燃烧释热效应和粘性效应这三种典型的影响因素展开讨论，希望厘清这些影响因素对波系流场各自的作用及物理机制，探索因素间的相互耦合效应，将准定常激波反射的相关研究理论拓展至一般的运动激波反射问题中，建立起运动激波反射流场分析的统一框架。本项目选取了爆炸波反射、爆轰波传播等实际工程问题作为影响因素讨论的框架，对三波点轨迹、马赫杆变形等流场参数的时空演化规律进行探索。本项目的相关研究不仅是对现有激波反射理论的补充完善，也能为爆轰热力推进、爆炸冲击防护等工程领域提供理论支持。

运动激波反射是可压缩流动中常见的物理现象，在爆炸与冲击毁伤、气相爆轰及惯性约束核聚变等领域有着广泛而重要的应用背景。在这些物理现象中激波反射流场往往受多种因素耦合作用影响。本项目（1）对于含粘性和热化学非平衡效应的可压缩流动，基于有限体积方法和自适应网格加密技术，建立了一套含粘性和热化学非平衡效应的多组分二维可压缩流数值模拟方法和程序。（2）对于柱状爆炸波反射与汇聚激波反射流动，获取了激波反射结构的时空演化规律，得到了热化学非平衡效应和非定常效应的耦合机制，建立了爆炸波反射中三波点时空轨迹的理论描述方法。（3）对含壁面边界层的准定常激波反射流动，基于实验和数值模拟给出了不同激波马赫数和压缩倾角下流场结构和马赫杆变形演化规律，以及尺度效应对流场结构和马赫杆变形的影响作用。（4）对方腔流场中流动分离现象，基于谱方法和漩涡分叉理论，得到了方腔流动中漩涡形态随雷诺数变化的主要模态及模态的转捩准则。（5）建立了一套示踪颗粒PDV非接触测量中频谱重构算法和程序；基于理论建模提出了一种直接从 PDV 频谱进行参数提取的新的频谱解读策略。其中示踪颗粒PDV速度频谱分析解读程序已经在工程应用中获得实际应用。在本项目资助下，已在 SCI 收录的国际期刊上发表学术论文 3 篇。本项目研究不仅可以促进可压缩流体力学和气相爆轰动力学的理论研究水平，而且可为重要的工程问题研究提供物理认识和数值支撑，同时在在常规武器冲击毁伤、先进固体火箭发动机、超燃冲压发动机、爆轰点火及爆燃转爆轰、惯性约束聚变及天体物理等领域也有重大应用价值。