含有两阶段反应的混合物中细胞爆轰结构的分叉现象

《Journal of Fluid Mechanics》：Bifurcation of cellular detonation structure in a mixture with two-stage reactions

通过数值模拟研究乙烯/氧/臭氧/氮混合物中爆轰动力学，揭示双细胞结构形成机制。强引发稳定双细胞，弱引发经历单细胞→过渡→双细胞的演化。热力学与流体力学不稳定性驱动结构转变，并总结双细胞形成的反应独立性和高放热条件。

　　

摘要

我们通过数值方法研究了乙烯/氧气/臭氧/氮气混合物中的细胞爆轰动力学，并考虑了详细的化学动力学过程。研究目的是阐明爆轰结构的形成机制，并揭示从单细胞结构向双细胞结构转变的过程。臭氧被用来引发混合物中的两阶段反应。通过系统的起爆强度分析，我们发现了两种不同的传播模式：(i) 在强起爆条件下，会形成稳定的双细胞爆轰；(ii) 弱起爆条件下会引发多阶段演化过程，初始阶段为起爆区内的低速单细胞爆轰。在初始的弱爆轰阶段，爆轰以近乎稳定的速度传播，并呈现出均匀的细胞结构。随后的转变阶段伴随着自发的加速和结构分叉，最终形成持续的双细胞结构。进一步分析表明，弱爆轰阶段的动力学完全由第一阶段的化学反应控制，导致单细胞结构以远低于Chapman–Jouguet速度的速度传播。相比之下，正常阶段观察到的双细胞结构是由两阶段放热反应形成的。由细胞不稳定性和流体动力学不稳定性引起的热力学扰动被认为是从单细胞爆轰向双细胞爆轰转变的关键驱动力。此外，我们还探讨了双细胞爆轰形成的条件，并总结了两个定性要求：两个阶段的反应必须尽可能独立进行，且两个阶段释放的热量都必须足够高，以维持三冲击波配置。

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