可燃系统爆轰及其抑制过程的数值研究

论文摘要

本文以双流体模型为基本模型,考虑基元化学反应、激波问题以及气相和颗粒相之间动量、能量的输运效应,建立了一维可燃系统爆轰以及惰性颗粒抑爆过程的理论模型。同时,基于一维问题推导了Riemann不变量表达式,利TVD格式和MacCormack格式分别求解气相和颗粒相方程,通过时间分裂格式处理方程刚性问题,采用Ronge-Kutta法方法求解化学反应,建立了数值模拟的数值方法。对可燃系统中高温火团诱导的H2-O2-N2混合物爆轰传播及其惰性颗粒抑爆过程进行了数值研究。结果表明:在一定范围内的初始条件下,高温火团点火诱导激波进而发展为爆轰的过程是成立的;在一定的抑爆带区域加载合适浓度的惰性粉尘后,由于气、粒两相之间的动量、能量传递,燃烧火焰得以减速,激波与火焰之间的距离逐渐增大而失去其能量支持,同时粉尘颗粒也有吸收激波能量的作用,两种效应同时进行、相互反馈,激波得以迅速衰减,抑爆成功;对同种惰性粉尘颗粒而言,当浓度一定时,抑爆剂颗粒直径、颗粒材料密度越小,抑爆效果越好;当颗粒直径和材料密度相同时,抑爆剂浓度越大,抑爆效果越好。以上结论均与经典理论及实验结果相符。模拟结果反映了燃烧火团在合适的初始条件下于可燃环境中形成加速火焰和激波,进而成长为爆轰波的过程,以及惰性粉尘颗粒对爆轰波的抑制过程。搞清了抑爆流场的结构特征以及相关特征参数的变化规律,基本揭示了惰性粉尘颗粒抑爆机理,为促进抑爆系统的有效性和可靠性发展提供了重要的技术思路和途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 课题研究概况
• 1.2.1 实验研究综述
• 1.2.2 理论研究综述
• 1.2.3 本文的主要工作
• 2 爆轰基础理论研究
• 2.1 C-J 爆轰模型
• 2.2 ZND 模型
• 2.3 化学反应动力学过程的影响
• 2.4 关于C-J 模型和ZND 模型的讨论
• 2.5 本章小结
• 3 数学物理模型与数值格式
• 3.1 概述
• 3.2 数学物理模型
• 3.2.1 气相和颗粒相基本方程
• 3.2.2 高温火团点火模型
• 3.2.3 氢－氧两步简化基元反应模型
• 3.2.4 气-粒两相模型
• 3.2.5 边界模型
• 3.2.6 多组分混合气体的相关热力学关系式
• 3.3 数值方法
• 3.3.1 TVD 方法
• 3.3.2 一维多组分对流问题的TVD 法
• 3.3.3 Roe 平均问题
• 3.3.4 求解气相方程的TVD 格式
• 3.3.5 时间分裂技术
• 3.3.6 颗粒相方程计算的MacCormack 格式
• 3.3.7 化学反应的计算
• 3.4 方程的无量纲化
• 3.5 本章小结
• 4 爆轰及抑爆的数值模拟
• 2-0₂-N₂爆轰的一维数值模拟'>4.1 H₂-0₂-N₂爆轰的一维数值模拟
• 4.1.1 边界条件和初始条件
• 4.1.2 计算结果及分析
• 2-0₂-N₂抑爆过程的数值模拟'>4.2 H₂-0₂-N₂抑爆过程的数值模拟
• 4.2.1 基本方程
• 4.2.2 边界条件和初始条件
• 4.2.3 计算结果与分析
• 4.3 本章小结
• 5 主要结论及展望
• 5.1 本文的主要内容
• 5.2 本文的主要结论
• 5.3 本文的主要特色及研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录