氣相爆轟數值模擬教程 李健 寧建國 9787576323092 【台灣高等教育出版社】

目錄

部分氣相爆轟動力學理論和方程
第1章 氣相爆轟波的基礎理論
1 1爆轟波的結構
1 2爆轟波的不穩定性
1 3爆轟波的傳播機理
1 4爆轟波的數值模擬
1 4 1計算流體力學方法發展
1 4 2氣相爆轟波的數值模擬
1 4 3化學力學模型
參考文獻
第2章 反應流守恆方程組
2 1多組分氣體熱力學關係
2 1 1狀態方程
2 1 2標準狀態熱力學性質
2 1 3無反應量熱氣體熱力學參數
2 1 4多組分氣體分子輸運定律
2 2多組分反應流控制方程組
2 2 1笛卡爾坐標系下的形式
2 2 2曲線坐標系下的形式
2 2 3方程組無量綱化
2 3微分方程組的分類
2 3 1一般形式的二階偏微分方程
2 3 2一階擬線性偏微分方程組
2 3 3歐拉方程
2 3 4N-S方程
2 4微分方程組的特徵分解
2 4 1特徵分解的一般形式
2 4 2標量和矢量守恆方程
2 4 3歐拉方程的特徵分解
2 5控制方程定解條件的提法
2 5 1初始條件
2 5 2邊界條件
2 5 3雙曲型方程邊界條件的提法
2 5 4常用的邊界條件
2 6黎曼間斷解
2 6 1黎曼問題解
2 6 2黎曼問題近似解
2 7雙曲型方程的弱解和熵條件
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參考文獻
第3章 化學動力學和反應模型
3 1力學
3 1 1基元反應機理
3 1 2化學反應速率
3 2氣相力學計算程序
3 2 1 CHEMKIN程序庫
3 2 2TRANSPORT程序庫
3 2 3等容爆炸模型
3 2 4等壓爆炸模型
3 3簡化反應模型
3 3 1一步阿倫尼烏斯反應模型
3 3 2 Short - Sharpe兩步法
3 3 3 Korobeinikov兩步法
3 3 4Short - Quirk三步法
3 3 5氫一氧五步法
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參考文獻
第二部分數值計算方
第4章 數值計算基礎
第5章 有限差分方法
第6章 有限體積法
第7章 常微分方程的數值方法
第8章 MPI並行程序設計基礎
第9章 網格生成和網格自適應技術
第三部分氣相爆轟數值模擬實踐
第10章 氣相爆轟數值模擬的編程實現
第11章 一維氣相爆轟波的數值模擬
第12章 二維爆轟波的數值模擬
第13章 氣相爆轟波的傳播數值模擬

前言/序言
氣相爆轟波的研究涉及諸多複雜的非線性動力學問題，如激波動力學、化氣相爆轟波是物理化學的強耦合過程，並受到邊界條件的強烈影響學力學、橫波不穩定性和特徵尺度效應等，吸引了國內外越來越多研究者的關注和參與。氣相爆轟波的研究在工業、武器設計和工程等領域具有重要的理論意義和應用價值。
氣相爆轟波的數值模擬可以提供有關流場的更詳細的信息，而這些信息通常無法從實驗測量中直接獲得;同時，數值模擬作為一種虛擬的數值實驗，可以再現真實爆轟實驗中無法實現的過程，有助於對物理本質的理解。當前的數值技術和現代計算機的能力可以直接求解使用簡化唯象模型的多維、時變的反應流守恆方程組。但是，直接數值模擬也有其自身的局限性，即在穩定性極限附近，擾動的增長和衰減速率慢，要達到穩態，可能會花費很長的時間。另外，需要好的時間和空間分辨率才能分辨的問題，比如爆轟波的多尺度湍流結構，仍然是直接數值模擬的巨大挑戰。
本書出版前曆了多年教學實踐的檢驗，從學生的反映來看，教學效果良好，基本上達到了作者的設想。本書可作為力學、機械、、熱能等專業及相關專業的研究生教學用書，以及高年級本科生學爆轟數值模擬的教材，也可作為從事數值模擬的科研人員和工程技術人員的參考書。
在作者授課和寫作本書過程中，曾得到各方面的學者同仁的支持和幫助，作者在此表示衷心感謝!作者希望本書的出版能夠有助於氣相爆轟數值模擬的理論研究、流動數值和工程應用的發展。限於水平，不妥之處望讀者不吝指正。
編著者

摘要
第1章 氣相爆轟波的基礎理論
爆轟波是超聲速的燃燒波，跨越其波陣面熱力學狀態急劇變化。爆轟波也可以認為是一道在很短的時間內將反應物轉化成產物並釋放能量的反應激波。爆轟波相對於波前狀態是超聲速的，因此，在其波陣面到達前，未反應介質不受影響，這與火焰波的傳播機制不同。爆轟波同時也是一道壓縮波，因此，其波陣面後的粒子速度方向與爆轟波一致，這也與屬性為稀疏波的火焰不同。質量守恆要求爆轟波後緊跟一道稀疏波，稱為泰勒稀疏波。因此，自維持爆轟波後的泰勒稀疏波會削弱質點運動速度，以匹配波後的邊界條件。未反應介質的點火由爆轟波前導激波的絕熱壓縮實現。誘導區在前導激波之後，通常發生反應物的解離和自由基的生成，雖然這一過程是吸熱的，但是其熱力學狀態變化通常很小;在誘導區之後為反應區，自由基發生聚合反應，伴隨著熱量的釋放和溫度的升高，以及壓力和密度的下降。因此，爆轟波通常被認為是一個緊密耦合的激波-火焰複合結構。反應區內壓力的快速下降以及在其後膨脹波中一步壓降，提供了爆轟波向前傳播的推力。因此，自維持爆轟波典的傳播機制是由前導激波誘導點火，反應區放熱，後方的產物膨脹產生向前的推力，這與某些爆轟系統的工作機制類似。低速燃燒波在未反應介質中的傳播機理是通過熱和質量的擴散效應實現的。反應陣面的溫度和自由基濃度梯度過大，導致熱量和自由基從反應區擴散到波前介質中，從而影響點火過程。因此，與作為壓縮波的爆轟波不同，燃燒波本質上是種擴散波，而且是亞聲速的，它的傳播速度與擴散速率和反應速率的平方根成正比關係。即使燃燒波波陣面是湍流態的，依然可以在一維框架下通過定義湍流擴散係數來描述擴散過程，從而得到一個確定的傳播速度。燃燒波本質上是不穩定的，並且存在許多不穩定機制，這使得其波陣面更混亂，表現出更多的湍流形態而通過加快反應速率而加速。當邊界條件允許時，燃燒波會轉變為爆轟波(DDT)。在轟波的轉變之前，湍流燃燒波可以突破聲速而達到較高的傳播速度。通常所謂的爆燃波，即指DDT過程中加速中的燃燒波。當爆轟波在粗糙的壁管中傳播時，其傳播速度可以低於正常的C-J速度。這些低速爆轟被稱為”准爆轟波”，爆燃波和准爆轟的速度譜存在重疊。這些波的複雜湍流結構相似，表明它們的傳播機制也可能是相似的。因此，很難對它們作出明確的區分。

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