開(kāi)源分享氣相爆轟基本數(shù)值計(jì)算程序及程序配套理論文《氣相爆轟基本數(shù)值計(jì)算》。

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以下摘錄文檔前言：

? ? 爆轟波是一種在可燃混合氣體中以超聲速穩(wěn)定傳播的燃燒波，混合氣通過(guò)激波壓縮達(dá)到自點(diǎn)火溫度發(fā)生燃燒，而燃燒釋放的熱量又驅(qū)動(dòng)激波的傳播，從而達(dá)到了穩(wěn)定傳播的狀態(tài)。爆轟波存在自增壓燃燒的特性，采用爆轟燃燒的熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程相比其它等容燃燒或等壓燃燒過(guò)程具有更高的熱效率，應(yīng)用于推進(jìn)系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化推進(jìn)系統(tǒng)增壓結(jié)構(gòu)、提高推力。因此，爆轟推進(jìn)技術(shù)在高超聲速吸氣式飛行器動(dòng)力領(lǐng)域有重大的引用潛力。

? ? 在爆轟波的理論計(jì)算方面，最早在20世紀(jì)初由英國(guó)物理化學(xué)家Chapman和法國(guó)工程師Jougurt分別建立了預(yù)測(cè)爆轟波速的理論計(jì)算模型，后稱“C-J”理論。該理論忽略爆轟波的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)具有無(wú)限快的速率，同時(shí)假設(shè)爆轟波后氣流速度達(dá)到聲速，從而求解出爆轟波后壓力、溫度等氣流參數(shù)。二戰(zhàn)期間Zeldovich、von Neumann，Doring引入了化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，將爆轟波描述為由前導(dǎo)激波、誘導(dǎo)區(qū)和化學(xué)反應(yīng)區(qū)構(gòu)成的有限厚度的薄層，該理論稱為“ZND”理論，所建立的爆轟波結(jié)構(gòu)又稱“ZND”結(jié)構(gòu)。ZND結(jié)構(gòu)是被認(rèn)為較為接近真實(shí)的爆轟波結(jié)構(gòu)，得到了很好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

? ? 隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出并發(fā)展了大量基于C-J理論和ZND理論的爆轟波計(jì)算方法，常用的有三種。第一種基于C-J理論，認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率無(wú)限大，放熱在瞬間完成，且反應(yīng)前后比熱比是已知的。該方法人為假設(shè)反應(yīng)放熱量和化學(xué)反應(yīng)前后的氣體性質(zhì)，作為定量研究的方法不夠準(zhǔn)確，但能夠定性研究爆轟波的許多性質(zhì)，且對(duì)C-J爆速的預(yù)測(cè)是比較準(zhǔn)確的。第二種方法考慮了爆轟波化學(xué)反應(yīng)面與激波面的強(qiáng)耦合特性，假設(shè)無(wú)限快反應(yīng)速率，建立了化學(xué)平衡激波關(guān)系，在求解氣相爆轟波方面有很可觀的計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。第三種方法則考慮了更加真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，即求解具有化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)的N-S方程組，屬于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，該方法最貼近實(shí)際的物理化學(xué)過(guò)程，但計(jì)算速度相對(duì)最低。

? ? 作者在2022年10月-2023年4月間對(duì)上述三種方法在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行了編程，并將后兩種方法的求解程序整理并建立了氣相爆轟工具箱?；诘诙N方法（化學(xué)平衡模型）的求解程序可以實(shí)現(xiàn)混合氣C-J爆速正爆轟波、斜爆轟波、斜爆轟波極曲線的求解，以及斜爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)理論推力的計(jì)算；基于第三種方法（化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型）的求解程序可以實(shí)現(xiàn)混合氣爆轟波ZND結(jié)構(gòu)、等容爆炸、一維無(wú)粘爆轟波的起爆、傳播（即一維無(wú)粘非平衡化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)）的計(jì)算。該爆轟工具箱所涉及的理論都是氣相爆轟物理和數(shù)值計(jì)算方法的經(jīng)典理論，雖然不能對(duì)復(fù)雜的工程模型進(jìn)行仿真計(jì)算，但對(duì)工程模型初步設(shè)計(jì)以及初學(xué)者的理論學(xué)習(xí)都有比較高的參考意義。

? ? 本文將圍繞文章所附“氣相爆轟工具箱”程序，對(duì)氣相爆轟基本理論及數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行整理歸納。本文第一章介紹了C-J理論的基本概念，并從經(jīng)典熱力學(xué)中的Rayleigh流理論重新推導(dǎo)了爆轟波的C-J解，并解讀其物理含義，最后對(duì)全文將要涉及到的氣體熱力學(xué)概念及其對(duì)應(yīng)符號(hào)表示進(jìn)行梳理；第二章主要介紹爆轟波的化學(xué)平衡激波關(guān)系算法，最后對(duì)現(xiàn)有的斜爆轟沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理論推力模型提出改進(jìn)思考；第三章主要圍繞一維無(wú)粘非平衡反應(yīng)流方程的求解，介紹計(jì)算爆轟波的化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法。

? ? 本文僅引用所涉及理論最主要的參考文獻(xiàn)，其中爆轟波的基本理論以及化學(xué)平衡模型主要來(lái)源于中科院力學(xué)所姜宗林團(tuán)隊(duì)的工作成果；化學(xué)非平衡流動(dòng)的計(jì)算方法主要來(lái)源于國(guó)防科技大學(xué)劉君團(tuán)隊(duì)的工作成果。

? ? 本文將重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)模型的推導(dǎo)以及求解過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，并包含作者的學(xué)習(xí)心得。一般的氣體動(dòng)力學(xué)、氣相爆轟動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和數(shù)值計(jì)算及其相關(guān)學(xué)科的基本公式在本文中不會(huì)一一給出。

? ? 本文所附求解程序在附錄中給出，程序驗(yàn)證工作作者已經(jīng)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中的驗(yàn)證方法自行完成，在本文中不作強(qiáng)調(diào)。

? ? 受作者水平限制，工作中難免存在錯(cuò)誤，還請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。