前沿丨氣體爆轟的物理機制、傳播規律

爆轟是以超聲速傳播的極端燃燒現象，作為激波主導的化學反應氣體流動，是氣體動力學、激波動力學和燃燒學融合的前沿學科。早期的爆轟理論 (CJ 理論和ZND 模型 ) 都基於一維流動、定常傳播的假定，確實能反映爆轟波的宏觀特徵和傳播規律，但是對於爆轟波非定常三維結構運動、激波與化學反應依存、流動與燃燒過程競爭的規律探索缺乏指導性意義。近幾十年的研究表明：爆轟波的傳播速度和空間結構都會發生周期性變化，具有一定的平均胞格尺度、自組織和自持傳播特徵。特別是爆燃轉爆轟 (DDT) 的突發過程，帶有非線性和隨機特徵。爆轟具有反應速率快、熱效率高、增壓燃燒優勢，在高超聲速動力、高焓風洞等航空航天核心技術方面有重大的應用潛力，是前沿學科的國際研究熱點。力學是一門「應用驅動研究」的學科，新需求的出現將為爆轟物理研究注入活力。在氣體動力學領域，沒有一種現象能夠像爆轟波這樣組織嚴密、結構精細、獨具特色。爆轟現象的複雜性和神秘性探索成為作者科研生涯中的一個執念。

高溫氣體動力學國家重點實驗室激波與爆轟物理團隊成立於 2000 年，把爆轟作為主要研究方向之一。經過二十年不斷探索，我們提出了氣相規則胞格爆轟起爆和傳播的統一框架理論 (universal framework for regulargaseous detonation initiationand propagation) ，簡稱爆轟統一框架理論。該理論由非線性波傳播與化學反應帶相互作用機制、熱點起爆和反應帶加速兩個過程、平均胞格尺度、平衡傳播狀態、臨界起爆狀態等六個基本要素構成，建立了各要素之間相互依存和彼此競爭的關聯關係。爆轟統一框架理論的提出，就像抽象出的一個類似恐龍骨骼的結構框架，各要素獨具特色，又相互關聯，能夠表現出整個爆轟發展與傳播規律的來龍去脈。雖然諸如湍流、旋渦和傳熱等物理現象在爆轟過程中也發揮著重要作用，但是作為氣相規則胞格爆轟的基本框架，上述六個要素是最基礎、最本質和最關鍵的。

圖 數值模擬管道障礙物引起的火焰面加速與爆燃轉爆轟過程

圖 火焰面附近熱點的形成和發展過程

爆轟統一框架理論並不能替代已有理論，它是在現有理論的基礎上，對爆轟理論的提升與拓展。本書對於爆轟研究成果的引用都列入參考文獻，並在引用處作了標註。作者衷心感謝北京大學的周培源先生和陳耀松教授，他們指導作者研究的弱解問題的差分理論及其數值方法成為本書計算模擬研究的主要手段；感謝日本東北大學流體科學研究所的高山和喜教授，他引導作者進入激波和爆轟物理研究領域。感謝中國科學院力學研究所的俞鴻儒先生，他帶領作者進入爆轟驅動高焓風洞領域，爆轟新理論有了試驗場。感謝曾經在激波與爆轟物理課題組工作和學習過的全體師生，他們的智慧和辛苦也凝聚在不同的段落和章節裡。本書是作者多年工作的一些心得體會，期待與國內同行共享。袁枚說「苔花如米小，也學牡丹開」，這是作者的初心。期待氣體爆轟動力學的繁榮，期待爆轟技術在航空航天領域的應用成功。

後

記

當寫下了前言的最後一句話，時間已經是 2019 年的盛夏。二十多年的爆轟物理研究、半年多的專著撰寫終於有了一個頓號。回顧往事，光陰似箭，感慨萬千。落花無情，伴日來月去，淡看兩鬢染霜；流水有意，潤萬紫千紅，喜見春華秋實。《氣體爆轟物理及其統一框架理論》集成了激波與爆轟物理團隊全體師生的智慧和成果，凝聚了幾位主創老師的辛勤汗水，現在終於可以交付出版了。

二十多年間，激波與爆轟物理團隊的許多研究生都做了大量工作，幾位主創老師的相關成果更是可圈可點。滕宏輝教授從本科生開始，就專注於爆轟物理研究，在斜爆轟波駐定及其穩定性方面造詣頗深。他在 JFM ， PoF 和 Combustion & Flame等權威刊物上發表了系列論文，產生了重要影響。本書有一個專門的斜爆轟章節，總結了他在該領域的貢獻。劉雲峰副教授的爆轟研究開始於其博士研究生階段，他揭示了爆轟胞格尺度和點火誘導時間的關聯，對於理解爆轟多波結構的非定常機制有啟示性意義。他還首次成功地計算模擬了準爆轟傳播狀態，認定該傳播狀態是穩定的。雖然準爆轟傳播自持機制還有待確認，但該成果的創新意義是毋庸置疑的。王春教授主要研究超聲速燃燒，但在爆轟物理研究方面也多有建樹。他發現了爆轟波陣面的半波規律，揭示了爆轟胞格的自適應特性；他還完成了激波通過有障礙物壁面管道的計算模擬，捕捉到了爆轟波熱點起爆的臨界狀態。胡宗民副教授是激波與爆轟物理團隊最早參與爆轟物理研究的成員之一，曾經成功地計算模擬了爆轟波楔面反射問題，獲得的馬赫反射胞格結構與實驗結果符合良好。他研發的爆轟波計算程序為團隊後續研究奠定了基礎，對於推動團隊的爆轟研究功不可沒。韓桂來副教授完成了柱面爆轟波計算，歸納了四種胞格演化模式，解釋了爆轟胞格平均尺度的維持機制。羅長童副教授承擔了專著的校核和編輯工作，付出了大量的時間和精力，顯著地提高了專著的可讀性。

氣相規則胞格爆轟起爆和傳播的統一框架理論的構想產生於作者 2004∼2005年麥吉爾大學訪問期間，起因於對爆轟理論和實驗觀察差異的困惑，得益於與 JohnLee 教授的多次討論。為了探索胞格分裂機制和平均胞格尺度，當時還啟動了關於柱面擴散傳播爆轟的計算模擬研究，然後才有了 Combustion & Flame 的那篇文章。爆轟統一框架理論首次系統闡述是在第二屆非平衡流動國際研討會上，當時的報告題目是 The universe theory for detonation initiations and propagation 。經過進一步的完善，爆轟統一框架理論的全面論述發表於 2012 年《中國科學》 , 論文題目是《氣相規則胞格爆轟波起爆與傳播統一框架的幾個關鍵基礎問題研究》，英文翻譯為 Research on some fundamental problems of the universal framework for regulargaseous detonation initiation and propagation 。在這裡， 「universe theory」 被修改為「universal framework」 ，感覺寓意更貼切一些。「universal framework」 翻譯為 「 統一框架理論 」 ，而不是 「 統一框架 」 ，這是一個中文習慣問題。「 統一 」 的意思是 「 起爆 」和 「 傳播 」 通用，也就是框架理論的要素對於兩種過程都是適用的，能夠統一描述，體現了 「universal」 的普遍意義。儘管如此，該理論僅屬於氣相規則胞格爆轟物理的研究範疇。

爆轟統一框架理論的核心就是要論述爆轟波六個關鍵要素的定義、特徵、機制及其存在性，並建立各要素之間的相互依存與彼此競爭的關聯關係。爆轟波基本「 骨骼 」 框架模型的構建避免了爆轟理論研究的局部性，體現了爆轟現象的非定常三維特徵。建立爆轟統一框架理論的立意是期望能夠包容經典的爆轟理論，解釋已有的實驗結果，演繹爆轟要素的關聯關係，啟迪爆轟物理的研究方向。另外，作者的初心是要通過統一框架理論的論述，系統總結我們對爆轟現象的認知，與讀者分享我們的感悟與體會。雖然自然規律是客觀存在的，但是人們對於自然現象的認知都是相對的，所以真理也是相對的。然而，正是這些相對真理的不斷發展與完善，使得人們對於自然規律的認識不斷逼近其客觀存在。屈原《離騷》第 97 句說：「 路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。

本文摘編自《氣體爆轟物理及其統一框架理論》（姜宗林 等 著.北京：科學出版社，2020.5）。標題為編者所加。

《氣體爆轟物理及其統一框架理論》

姜宗林 等 著

ISBN 978-7-03-063552-5

責任編輯: 周涵 田軼靜

《氣體爆轟物理及其統一框架理論》是高溫氣體動力學國家重點實驗室激波與爆轟物理團隊多年研究成果的總結，主講氣體爆轟物理機制、傳播規律和理論模式。全書分7章：第1、2章介紹爆轟物理基本概念及其控制方程與計算方法；第3、4章回顧爆轟物理研究進展；第5、6章講述爆轟理論新進展，包括統一框架理論和斜爆轟穩定性；第7章總結爆轟重要工程應用。爆轟是以超聲速傳播的極端燃燒現象，具有非定常三維結構、自持與自組織特徵、宏觀穩定的傳播狀態和平均恆定的胞格尺度，是氣體動力學與燃燒學融合的前沿學科。爆轟過程反應速率快、熱效率高，具有增壓燃燒特徵，在航空航天領域具有重大的應用潛力，一直是國際研究熱點。

本書目錄

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目錄

前言

第1章 緒論 1

1.1 氣體爆轟波的起源與認知 1

1.2 爆炸波、爆燃波與爆轟波 2

1.3 氣體爆轟現象的研究方法 5

1.4 氣體爆轟波的關鍵物理現象 12

參考文獻 22

第2章 氣體爆轟數理方程與計算方法 28

2.1 氣體爆轟基礎理論 28

2.2 爆轟波的數學物理模型 38

2.3 爆轟波控制方程及其計算方法 45

2.4 爆轟過程的多維計算模擬及其分析 52

參考文獻 58

第3章 氣體爆轟理論及其動力學參數 62

3.1 CJ理論 62

3.2 ZND模型 64

3.3 爆燃轉爆轟過程 73

3.4 直接起爆過程 78

3.5 SWACER理論 86

3.6 爆轟動力學參數 89

參考文獻 98

第4章 氣體爆轟波的胞格特徵與實驗觀測 99

4.1 多波結構及其胞格特性 99

4.2 爆轟波傳播過程中的胞格演化 104

4.3 胞格爆轟波的反射與繞射 113

4.4 柱面爆轟波胞格的演化規律 120

4.5 複雜爆轟波的傳播與觀察 127

參考文獻 134

第5章 氣相規則胞格爆轟起爆和傳播的統一框架理論 136

5.1 引言 136

5.2 熱點發展與起爆過程的物理機制 138

5.3 燃燒反應帶及其發展規律 145

5.4 臨界起爆狀態及其特徵參數 149

5.5 臨界傳播狀態與胞格統計平均特性 153

5.6 平均胞格尺度及其半波規律 157

5.7 點火延遲時間和胞格尺度的關聯 161

5.8 爆轟統一框架理論的應用 168

5.9 爆轟統一框架理論小結 170

參考文獻 171

第6章 斜爆轟波結構與駐定規律 174

6.1 斜爆轟波守恆關係與極線分析 174

6.2 楔面誘導斜爆轟波的起爆區結構 178

6.3 斜爆轟的多波結構及其波面穩定性 185

6.4 非理想來流條件下的斜爆轟波 194

6.5 尾部稀疏波對斜爆轟波的影響 200

6.6 鈍頭體對斜爆轟波起爆的影響 206

參考文獻 214

第7章 氣體爆轟現象的工程應用 216

7.1 氣體爆轟過程的熱力學特性 216

7.2 爆轟驅動的熱力推進技術 228

7.3 爆轟驅動激波風洞技術 240

參考文獻 250

後記 254

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本期編輯丨王芳

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