预混火焰扰动界面RM不稳定的时间尺度效应研究

The perturbed interface of premixed flame induced by shock waves can result in a Richtmyer-Meshkov (RM) instability, which may promote the mixing of unburned/burned mixture, enhance the combustion and induce the detonations. The instability, which involves in complicated physical and chemical processes, is a common phenomenon in the context of many settings, both natural and man-made such as supersonic combustion propulsion, industrial explosion events. However, some fundamental issues of RM instability are still not fully understood up to now. In this project, the instability and mixing of perturbed interface of premixed flame induced by shock wave and reshocks are studied using numerical simulations and theoretical analysis. It includes the determination of the characteristic time-scales for both RM instability and chemical reaction for the different parameters; the dynamical evolutions and developments of flame interface pertubation, interaction between the chemical heat release and mixing, and condition and mechanism of detonation initiation for the single-mode and the multi-mode perturbations of initial interface; and the dependency of RM instability of premixed flame interface on the variation of time-scales before and following the passage of the reshock, and the criterion of time-scale effect for characterizing the reactive RM instability properties. It is expected that the outcomes of this project can not only provide the new knowledge for understanding the reactive RM instability, but aslo provide the significant fundaments for using or contolling the instability in the practical processes.

预混火焰扰动界面在激波作用下可形成Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定，进而促进已燃气和未燃气混合、强化燃烧并可能引发爆轰，它涉及一系列复杂的物理、化学过程，是自然界以及超燃推进和工业爆炸灾害等人类生产实践活动中常见的现象，而其中涉及的一些基本特性和规律至今未得到充分认识。本项目拟采用数值模拟和理论分析的方法，研究激波及其反射激波诱导预混火焰扰动界面失稳和混合的过程。包括：确定不同参数下RM不稳定和化学反应的特征时间尺度；考察单模和多模初始扰动下，火焰界面的动力学演变历程和发展规律、反应放热与混合之间的相互作用关系以及爆轰形成的条件和机理；探讨反射激波作用前后，扰动火焰界面RM不稳定的上述特性对时间尺度的依赖关系，提出刻画这些特性的时间尺度效应判据。相关研究不仅可以为理解反应系统中的RM不稳定现象提供新的认识，而且还可以为实际过程中利用或控制这一现象提供重要的理论基础。

激波与带初始扰动的预混火焰界面相互作用是反应性Richtmyer-Meshkov（RM）不稳定过程，该过程可进一步促进界面两侧未燃气体和已燃气体的混合与燃烧，因此在自然界和人类活动中（如超燃推进发动机和工业爆炸灾害）普遍存在。由于该过程涉及复杂的物理、化学现象，一些基本的规律和特性尚未得到充分认识，因此，开展相关研究具有重要的学术意义和应用前景。本项目以此为背景，采用高精度数值方法和大规模CPU/GPU异构并行和MPI并行计算方案，对平面入射激波及其反射激波诱导的带初始扰动的预混火焰界面失稳过程进行了研究。主要内容包括：惰性界面和化学冻结流条件下火焰界面RM不稳定过程的数值研究；反应性条件下界面RM不稳定过程的二维和三维数值研究；反应性RM不稳定过程的特征时间尺度的确定；反应性RM不稳定过程的时间尺度效应等。得到的重要结果和结论包括：（1）在激波多次诱导的预混火焰界面失稳过程中，火焰界面呈现出从大尺度拉伸到出现中小尺度复杂结构的演化过程，初始入射激波强度的增强能够强化这一过程，而初始火焰界面扰动形态对反射激波作用后的界面演化则没有显著影响；（2）预混火焰界面扰动的发展主要受RM不稳定诱导的大尺度流动和化学反应两个因素影响，其中，扰动发展前期RM不稳定（物理作用）起主要作用；而后期化学反应的作用逐渐增强。在整个过程中，基于标量耗散率的混合过程对反应性RM不稳定过程影响较弱；（3）提出了特征时间尺度分离的假设，在此基础上给出了RM不稳定和化学反应两种特征时间尺度的确定方法，对不同条件下两种时间尺度的比值（时间尺度效应）与化学反应放热率进行了关联，良好的关联性表明了本项目时间尺度确定及其效应研究的正确性。时间尺度效应能够从特征时间尺度的角度定量表征反应性RM不稳定过程，是一种简单有效的理解反应性RM不稳定现象的等效参数。上述研究不仅有助于认识和澄清反应性的RM不稳定的本质，而且还为实际工程中利用或控制这一现象提供重要的理论依据。