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前沿丨气体爆轰的物理机制、传播规律

已有 655 次阅读 2020-10-19 09:09 |系统分类:科研笔记

爆轰是以超声速传播的极端燃烧现象,作为激波主导的化学反应气体流动,是气体动力学、激波动力学和燃烧学融合的前沿学科。早期的爆轰理论 (CJ 理论和ZND 模型 ) 都基于一维流动、定常传播的假定,确实能反映爆轰波的宏观特征和传播规律,但是对于爆轰波非定常三维结构运动、激波与化学反应依存、流动与燃烧过程竞争的规律探索缺乏指导性意义。近几十年的研究表明:爆轰波的传播速度和空间结构都会发生周期性变化,具有一定的平均胞格尺度、自组织和自持传播特征。特别是爆燃转爆轰 (DDT) 的突发过程,带有非线性和随机特征。爆轰具有反应速率快、热效率高、增压燃烧优势,在高超声速动力、高焓风洞等航空航天核心技术方面有重大的应用潜力,是前沿学科的国际研究热点。力学是一门“应用驱动研究”的学科,新需求的出现将为爆轰物理研究注入活力。在气体动力学领域,没有一种现象能够像爆轰波这样组织严密、结构精细、独具特色。爆轰现象的复杂性和神秘性探索成为作者科研生涯中的一个执念。



高温气体动力学国家重点实验室激波与爆轰物理团队成立于 2000 年,把爆轰作为主要研究方向之一。经过二十年不断探索,我们提出了气相规则胞格爆轰起爆和传播的统一框架理论 (universal framework for regulargaseous detonation initiationand propagation) ,简称爆轰统一框架理论。该理论由非线性波传播与化学反应带相互作用机制、热点起爆和反应带加速两个过程、平均胞格尺度、平衡传播状态、临界起爆状态等六个基本要素构成,建立了各要素之间相互依存和彼此竞争的关联关系。爆轰统一框架理论的提出,就像抽象出的一个类似恐龙骨骼的结构框架,各要素独具特色,又相互关联,能够表现出整个爆轰发展与传播规律的来龙去脉。虽然诸如湍流、旋涡和传热等物理现象在爆轰过程中也发挥着重要作用,但是作为气相规则胞格爆轰的基本框架,上述六个要素是最基础、最本质和最关键的。

 

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图   数值模拟管道障碍物引起的火焰面加速与爆燃转爆轰过程


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图  火焰面附近热点的形成和发展过程


爆轰统一框架理论并不能替代已有理论,它是在现有理论的基础上,对爆轰理论的提升与拓展。本书对于爆轰研究成果的引用都列入参考文献,并在引用处作了标注。作者衷心感谢北京大学的周培源先生和陈耀松教授,他们指导作者研究的弱解问题的差分理论及其数值方法成为本书计算模拟研究的主要手段;感谢日本东北大学流体科学研究所的高山和喜教授,他引导作者进入激波和爆轰物理研究领域。感谢中国科学院力学研究所的俞鸿儒先生,他带领作者进入爆轰驱动高焓风洞领域,爆轰新理论有了试验场。感谢曾经在激波与爆轰物理课题组工作和学习过的全体师生,他们的智慧和辛苦也凝聚在不同的段落和章节里。本书是作者多年工作的一些心得体会,期待与国内同行共享。袁枚说“苔花如米小,也学牡丹开”,这是作者的初心。期待气体爆轰动力学的繁荣,期待爆轰技术在航空航天领域的应用成功。


后记

当写下了前言的最后一句话,时间已经是 2019 年的盛夏。二十多年的爆轰物理研究、半年多的专著撰写终于有了一个顿号。回顾往事,光阴似箭,感慨万千。落花无情,伴日来月去,淡看两鬓染霜;流水有意,润万紫千红,喜见春华秋实。《气体爆轰物理及其统一框架理论》集成了激波与爆轰物理团队全体师生的智慧和成果,凝聚了几位主创老师的辛勤汗水,现在终于可以交付出版了。


二十多年间,激波与爆轰物理团队的许多研究生都做了大量工作,几位主创老师的相关成果更是可圈可点。滕宏辉教授从本科生开始,就专注于爆轰物理研究,在斜爆轰波驻定及其稳定性方面造诣颇深。他在 JFM , PoF 和 Combustion & Flame等权威刊物上发表了系列论文,产生了重要影响。本书有一个专门的斜爆轰章节,总结了他在该领域的贡献。刘云峰副教授的爆轰研究开始于其博士研究生阶段,他揭示了爆轰胞格尺度和点火诱导时间的关联,对于理解爆轰多波结构的非定常机制有启示性意义。他还首次成功地计算模拟了准爆轰传播状态,认定该传播状态是稳定的。虽然准爆轰传播自持机制还有待确认,但该成果的创新意义是毋庸置疑的。王春教授主要研究超声速燃烧,但在爆轰物理研究方面也多有建树。他发现了爆轰波阵面的半波规律,揭示了爆轰胞格的自适应特性;他还完成了激波通过有障碍物壁面管道的计算模拟,捕捉到了爆轰波热点起爆的临界状态。胡宗民副教授是激波与爆轰物理团队最早参与爆轰物理研究的成员之一,曾经成功地计算模拟了爆轰波楔面反射问题,获得的马赫反射胞格结构与实验结果符合良好。他研发的爆轰波计算程序为团队后续研究奠定了基础,对于推动团队的爆轰研究功不可没。韩桂来副教授完成了柱面爆轰波计算,归纳了四种胞格演化模式,解释了爆轰胞格平均尺度的维持机制。罗长童副教授承担了专著的校核和编辑工作,付出了大量的时间和精力,显著地提高了专著的可读性。


气相规则胞格爆轰起爆和传播的统一框架理论的构想产生于作者 2004~2005年麦吉尔大学访问期间,起因于对爆轰理论和实验观察差异的困惑,得益于与 JohnLee 教授的多次讨论。为了探索胞格分裂机制和平均胞格尺度,当时还启动了关于柱面扩散传播爆轰的计算模拟研究,然后才有了 Combustion & Flame 的那篇文章。爆轰统一框架理论首次系统阐述是在第二届非平衡流动国际研讨会上,当时的报告题目是 The universe theory for detonation initiations and propagation 。经过进一步的完善,爆轰统一框架理论的全面论述发表于 2012 年《中国科学》 , 论文题目是《气相规则胞格爆轰波起爆与传播统一框架的几个关键基础问题研究》,英文翻译为 Research on some fundamental problems of the universal framework for regulargaseous detonation initiation and propagation 。在这里, “universe theory” 被修改为“universal framework” ,感觉寓意更贴切一些。“universal framework” 翻译为 “ 统一框架理论 ” ,而不是 “ 统一框架 ” ,这是一个中文习惯问题。“ 统一 ” 的意思是 “ 起爆 ”和 “ 传播 ” 通用,也就是框架理论的要素对于两种过程都是适用的,能够统一描述,体现了 “universal” 的普遍意义。尽管如此,该理论仅属于气相规则胞格爆轰物理的研究范畴。


爆轰统一框架理论的核心就是要论述爆轰波六个关键要素的定义、特征、机制及其存在性,并建立各要素之间的相互依存与彼此竞争的关联关系。爆轰波基本“ 骨骼 ” 框架模型的构建避免了爆轰理论研究的局部性,体现了爆轰现象的非定常三维特征。建立爆轰统一框架理论的立意是期望能够包容经典的爆轰理论,解释已有的实验结果,演绎爆轰要素的关联关系,启迪爆轰物理的研究方向。另外,作者的初心是要通过统一框架理论的论述,系统总结我们对爆轰现象的认知,与读者分享我们的感悟与体会。虽然自然规律是客观存在的,但是人们对于自然现象的认知都是相对的,所以真理也是相对的。然而,正是这些相对真理的不断发展与完善,使得人们对于自然规律的认识不断逼近其客观存在。屈原《离骚》第 97 句说:“ 路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。



本文摘编自《气体爆轰物理及其统一框架理论》(姜宗林 等 著.北京:科学出版社,2020.5)。标题为编者所加。


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《气体爆轰物理及其统一框架理论》
姜宗林 等 著
ISBN 978-7-03-063552-5
责任编辑: 周涵 田轶静


《气体爆轰物理及其统一框架理论》是高温气体动力学国家重点实验室激波与爆轰物理团队多年研究成果的总结,主讲气体爆轰物理机制、传播规律和理论模式。全书分7章:第1、2章介绍爆轰物理基本概念及其控制方程与计算方法;第3、4章回顾爆轰物理研究进展;第5、6章讲述爆轰理论新进展,包括统一框架理论和斜爆轰稳定性;第7章总结爆轰重要工程应用。爆轰是以超声速传播的极端燃烧现象,具有非定常三维结构、自持与自组织特征、宏观稳定的传播状态和平均恒定的胞格尺度,是气体动力学与燃烧学融合的前沿学科。爆轰过程反应速率快、热效率高,具有增压燃烧特征,在航空航天领域具有重大的应用潜力,一直是国际研究热点。


本书目录


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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 气体爆轰波的起源与认知 1
1.2 爆炸波、爆燃波与爆轰波 2
1.3 气体爆轰现象的研究方法 5
1.4 气体爆轰波的关键物理现象 12
参考文献 22
第2章 气体爆轰数理方程与计算方法 28
2.1 气体爆轰基础理论 28
2.2 爆轰波的数学物理模型 38
2.3 爆轰波控制方程及其计算方法 45
2.4 爆轰过程的多维计算模拟及其分析 52
参考文献 58
第3章 气体爆轰理论及其动力学参数 62
3.1 CJ理论 62
3.2 ZND模型 64
3.3 爆燃转爆轰过程 73
3.4 直接起爆过程 78
3.5 SWACER理论 86
3.6 爆轰动力学参数 89
参考文献 98
第4章 气体爆轰波的胞格特征与实验观测 99
4.1 多波结构及其胞格特性 99
4.2 爆轰波传播过程中的胞格演化 104
4.3 胞格爆轰波的反射与绕射 113
4.4 柱面爆轰波胞格的演化规律 120
4.5 复杂爆轰波的传播与观察 127
参考文献 134
第5章 气相规则胞格爆轰起爆和传播的统一框架理论 136
5.1 引言 136
5.2 热点发展与起爆过程的物理机制 138
5.3 燃烧反应带及其发展规律 145
5.4 临界起爆状态及其特征参数 149
5.5 临界传播状态与胞格统计平均特性 153
5.6 平均胞格尺度及其半波规律 157
5.7 点火延迟时间和胞格尺度的关联 161
5.8 爆轰统一框架理论的应用 168
5.9 爆轰统一框架理论小结 170
参考文献 171
第6章 斜爆轰波结构与驻定规律 174
6.1 斜爆轰波守恒关系与极线分析 174
6.2 楔面诱导斜爆轰波的起爆区结构 178
6.3 斜爆轰的多波结构及其波面稳定性 185
6.4 非理想来流条件下的斜爆轰波 194
6.5 尾部稀疏波对斜爆轰波的影响 200
6.6 钝头体对斜爆轰波起爆的影响 206
参考文献 214
第7章 气体爆轰现象的工程应用 216
7.1 气体爆轰过程的热力学特性 216
7.2 爆轰驱动的热力推进技术 228
7.3 爆轰驱动激波风洞技术 240
参考文献 250
后记 254
彩图


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