New Numerical Algorithms in SUPER CE/SE and Their Applications in Explosion Mechanics

The new numerical algorithms in SUPER/CESE and their applications in explosion mechanics are studied. The researched algorithms and models include an improved CE/SE (space-time Conservation Element and Solution Element) method, a local hybrid particle level set method, three chemical reaction models and a two-fluid model. Problems of shock wave reflection over wedges, explosive welding, cellular structure of gaseous detonations and two-phase detonations in the gas-droplet system are simulated by using the above-mentioned algorithms and models. The numerical results reveal that the adopted algorithms have many advantages such as high numerical accuracy, wide application field and good compatibility. The numerical algorithms presented in this paper may be applied to the numerical research of explosion mechanics

An Improved CE/SE Scheme for Numerical Simulation of Gaseous and Two-Phase Detonations

A new structure of solution elements and conservation elements based on rectangular mesh was pro- posed and an improved space-time conservation element and solution element (CE/SE) scheme with sec- ond-order accuracy was constructed. Furthermore, the application of improved CE/SE scheme was extended to detonation simulation. Three models were used for chemical reaction in gaseous detonation. And a two-fluid model was used for two-phase (gas–droplet) detonation. Shock reflections were simu- lated by the improved CE/SE scheme and the numerical results were compared with those obtained by other different numerical schemes. Gaseous and gas–droplet planar detonations were simulated and the numerical results were carefully compared with the experimental data and theoretical results based on C–J theory. Mach reflection of a cellular detonation was also simulated, and the numerical cellular pat- terns were compared with experimental ones. Comparisons show that the improved CE/SE scheme is clear in physical concept, easy to be implemented and high accurate for above-mentioned problems

基于正位网格的局部时空守恒格式

时空守恒元-解元(CE/SE)方法是近十年来发展起来的一种新的数值算法,最早是由NASALewis研究中心的Chang及其合作者提出的,后来由张增产和王刚等人对该方法进行了改进。理论和实际计算都证明该算法有很高的精度,特别擅长于求解守恒型方程。但是目前该算法只有少数几个版本的格式,这是因为为了保证全局时空守恒,现有格式都采用了在时间方向上相互交错的网格,这就大大限制了格式的灵活性。为此,本文对CE/SE方法进行了改进,得到了一种基于正位网格的局部时空守恒格式(LSTC)。该格式在应用中变得更简洁,最重要的是为时空守恒格式的发展提供了新的思路。不仅如此,该格式还继承了CE/SE方法几乎所有的特点和优点:1.将时间和空间统一起来同等对待;2.把流场物理量及其空间导数作为独立未知量同时求解;3.在推广到多维时无需使用算子分裂或方向交替技术,是一种真正意义上的多维算法;4.捕捉激波不需要Riemann求解器,激波分辨率高,在间断处能有效抑制非物理振荡

Re-study on the two-step chemical reaction model in numerical simulation of gaseous detonation

采用改进的高精度时-空守恒元解元算法(the space-time conservation element and solution element method,CE/SE method)和考虑组分的二阶段化学反应模型(Sichel的二步模型)对气相爆轰问题的数值模拟进行了分析.分析发现采用Sichel的二步模型得到的数值结果虽然比早期二阶段化学反应模型(旧二步模型)更接近实验值,但是仍然不能得到爆轰过程准确气体动力学参数.为此通过修改组分的质量分数分布形式对Sichel的二步模型进行了改造,然后采用新的二步模型对平面爆轰波进行了数值模拟.数值结果表明采用新的二步模型计算得到气体动力学参数更接近于实验值和基元反应模型的计算值,在计算精度上有较大提高

爆轰波传播问题的数值模拟

爆轰波传播是一个十分复杂的现象,长期以来人们主要通过实验手段对爆轰波进行研究。从上世纪80年代以来,随着计算方法和计算机技术的进一步发展,关于爆轰波的数值模拟也发展起来。采用数值方法求解爆轰问题时主要要处理好两方面的问题:一是处理爆轰波的强间断;二是处理爆轰过程中化学反应和能量释放的过程。第一方面的问题主要体现在数值模拟中使用的数值方法上;第二方面的问题主要体现在采用的化学反应模型上

用Euler_Lagrange模型模拟气液两相爆轰

本文针对颗粒在气体中的爆轰过程,建立了一种有效的Euler_Lagrange两相爆轰模型。该模型用Euler坐标描述气相的流动,而颗粒相则用Lagrange坐标追踪每一个颗粒的位置、速度、质量及温度,同时考虑两相之间质量、动量和能量的相互作用。我们将该模型结合时-空守恒元解元(CE/SE)方法用于模拟不同颗粒半径、不同当量比的C10H22(液体颗粒)在氧气和空气中的爆轰过程。通过将数值结果与实验结果和CJ理论预测的结果进行比较发现,本文提出的模型能够准确模拟气液两相爆轰现象

SUPER CE/SE的新算法及其在爆炸力学中的应用

研究了SUPER CE/SE的新算法及其在爆炸力学中的应用. 算法和模型方面, 主要包括改进CE/SE算法、快速杂交粒子水平集方法、常用化学反应模型和两流体模型. 使用上述算法和模型, 对激波楔面反射、爆炸焊接、爆轰波胞格结构和气液两相爆轰问题进行了数值模拟. 数值结果表明, 该文采用的算法具有计算精度高、应用范围广和兼容性强等优点, 可广泛应用于爆炸力学的数值研究

Study on Chemical Reaction Models in Gaseous Detonation Numerical Simulation

基于改进的时-空守恒元解元算法对气相爆轰波数值模拟中3种常用化学反应模型(二步模型,基元反应模型和Sichel的二步模型)进行了考察。对平面爆轰波和具有胞格结构的爆轰波进行了数值模拟,并对数值结果进行了比较和讨论。结果表明:3种化学反应模型得到的爆轰参数准确性有所差异,但得到的胞格结构均能和实验结果较好吻合。3种化学反应模型在爆轰波数值模拟中各有优缺点,应视具体问题决定使用哪种化学反应模型

气相爆轰波胞格结构数值研究

本文采用我们提出的改进的CE/SE算法和新的考虑组分的二阶段化学反应模型对爆轰波的传播和反射过程进行了数值模拟。考虑组分的二阶段化学反应模型中的组分数据是由基元化学反应模型计算求得的。得到的爆轰波胞格结构与实验结果的胞格结构十分吻合。而且数值结果能够准确地反映马赫反射前后胞格结构的变化。因此,将我们改进的CE/SE算法运用到爆轰波传播和反射问题等的化学反应流动问题中是可行的

爆轰波楔面反射的数值研究

爆轰波经过楔面会发生类似与激波反射的正规反射和马赫反射。最早关于爆轰波反射的实验和理论研究是1955左右由Ong进行的，以后对这方面的实验和理论研究一直在继续。目前，关于爆轰波在楔面反射的实验还是初步的。这是由于实验测量的精度和可靠性都不高，因而即使相同的实验条件不同文献的结果也相差很大；另一方面，尽管激波的楔面反射规律可以采用理论分析模型进行精确预报，但爆轰波的楔面反射规律仍然无法用理论分析模型进行预报。随着计算流体力学的发展，国内外开始使用数值模拟方法研究爆轰波的楔面反射规律，并取得一定进展。但总体来说对爆轰波楔面反射特性的数值模拟远远不够。在改进CE/SE算法和二步模型的基础上，对爆轰波穿过各种角度的楔面进行了数值模拟。数值结果与实验结果的对比表明：(1)改进CE/SE算法和二步模型能够模拟爆轰波楔面反射的基本现象；(2)类似于激波，随着楔面角度减少，爆轰波会由正规反射转变为马赫反射；(3)平面爆轰波楔面反射是一个自相似过程，但具有胞格结构的爆轰波楔面反射不是一个自相似过程。综上所述，我们认为改进CE/SE算法和二步模型能够模拟爆轰波楔面反射问题，得到的数值结果具有较高的可信性。数值模拟在爆轰波楔面反射研究中有着一定优势，应在科学研究和工程实际中广泛应用