基于热力学的评估方法，通过DDT研究封闭通道中的爆轰起始过程：熵产生与热能释放的作用

《Proceedings of the Combustion Institute》：A thermodynamics-based assessment of detonation onset via DDT in closed channels: The role of entropy generation and thermicity

　　

摘要

本研究探讨了在具有矩形障碍物的封闭通道中的典型流动配置中，通过燃烧转爆震（DDT）过程引发爆震的现象。通过分析热力学变量（如热活性和不可逆熵生成），阐明了冲击波与障碍物相互作用在预热气体混合物以及增强化学反应中的作用。研究包括了三种相关情景：无自燃情况（案例A）、爆震起始情况（案例B）和燃烧起始情况（案例C）。研究结果揭示了一系列导致爆震发生的事件顺序，这些事件包括马赫杆的形成、火焰自燃、自由基物种云的形成以及最终的爆震。通过马赫杆机制触发的火焰自燃其特征是在冲击波与障碍物相互作用后具有高化学活性。熵生成分析表明，马赫杆区域是一个与局部压力场高度耦合的高反应性区域。然而，仅靠火焰自燃并不能保证爆震的发生。数值结果表明，只有当自燃火焰周围存在化学活性环境时，才会发生爆震。特别是在火焰前沿之前，观察到自由基物种（如O和H）的产生速率显著增加。这些发现为SWACER（通过相干能量释放增强冲击波）机制提供了数值证据，并建立了将局部热活性和自由基物种生成与DDT过程中的火焰自燃和爆震起始联系起来的机制框架。

创新点和意义声明

本文利用高保真直接数值模拟（类似于DNS）方法，并结合详细的化学动力学，通过分析热力学变量（包括热活性、化学诱导时间和熵生成）来研究受阻通道流中爆震的起始过程。这一方法在之前的研究中尚未被报道。特别分析了三种情景：无自燃、爆震起始和燃烧起始。结果表明，仅由马赫杆机制触发的火焰自燃不足以引发爆震。在爆震情景中，自燃火焰周围会形成自由基物种云，该区域具有高化学熵生成。这种富含自由基的流动区域促进了火焰前沿前的浅层反应性梯度，为SWACER机制提供了数值支持。这些发现为识别燃烧和爆震机制提供了理论基础，并有助于从热力学的角度理解燃烧转爆震（DDT）过程。

引言

近年来，受阻通道中的火焰加速（FA）现象以及燃烧转爆震（DDT）过程由于其在高效率旋转爆震发动机（RDE）中的潜在应用而受到了广泛关注。由于DDT过程所需的点火能量较低，因此它们被认为是实现稳定爆震波的实用方法[1]。

受阻通道中的火焰加速过程包含三个阶段：(i) 低速燃烧，(ii) 高速燃烧，以及 (iii) DDT 过程[2,3]。第一阶段的特征是在障碍物前方产生强涡流[3,4]。在第二阶段，由于流道的不断收缩和膨胀，会生成冲击波（SW），这些冲击波不断被通道壁和障碍物反射[2,5]。最后，通过DDT过程引发的爆震主要通过两种机制实现：(a) 马赫杆效应，(b) 混合效应。马赫杆效应指的是在局部压力相对较高的流动区域直接引发爆震，通常发生在流动几何结构的角落[5,6]。由于涉及多种物理现象（如高温梯度），通过混合效应实现的DDT过程更为复杂。

以往的大多数研究集中在几何效应、混合物敏感性、障碍物形状或爆震发展距离的相关性上[6],[7],[8],[9],[10]。虽然这些参数控制着反应流的整体演变，但它们通常并未明确描述反应气体混合物的热力学响应（如热活性和熵生成[11,12]）。

本研究强调热活性和熵生成，而不是其他热化学变量，是因为它们可以将反应流的高维热化学状态简化为一个单一的标量场[13]，这对于DDT过程至关重要。实际上，熵生成能够直接衡量不可逆过程的强度，作为基于物理的判据来指出控制DDT过程的机制[14]。此外，熵生成将包括化学反应、扩散性和粘性效应在内的多种物理现象归纳为一个单一的标量量，可以用于比较这些现象[13]。热活性量化了化学反应释放的速率，影响了热量释放与冲击波压缩之间的耦合[12]。特别是，热活性影响了关键参数，如反应区长度、诱导长度和Chapman-Jouguet速度[15,16]。从这个意义上说，热活性作为一个标量场，将压力、温度和化学物质传输的综合效应简化为一个变量，捕捉了化学能量转换与局部气体动力学响应之间的耦合关系。

化学能量释放与压缩冲击波之间的耦合对于将压力放大到爆震所需的水平至关重要，这使得热活性成为判断DDT有利条件的关键指标。然而，需要强调的是，熵生成和热活性并非独立的控制参数；它们是反应流的固有特性，源于边界条件、流动动力学和化学反应之间的复杂相互作用。因此，它们不能被直接规定，而是作为物理基础的诊断指标，有助于描述反应系统的局部状态。

通过同时分析不可逆熵生成和热活性，本研究为封闭受阻通道中的DDT过程提供了热力学和机制层面的见解，能够识别出DDT发生的区域及其控制机制。特别是，研究揭示了火焰自燃与冲击波-障碍物相互作用引起的压力升高有关，从而形成高化学活性区域。然而，要引发爆震，自燃火焰前方需要存在高反应性的流动环境。这被认为是通过自由基物种浓度对诱导时间场进行预处理的结果[17,18]。值得注意的是，多种机制可能都对诱导时间场的预处理有贡献。特别是在本研究中，自由基物种的产生和温度都受到了重视。

本文的结构如下：第2节简要描述了所使用的数学和建模方法。第3节总结了主要研究结果，包括冲击波-障碍物相互作用前的流动状态和冲击波后的状态。最后，第4节提出了本研究的主要结论。

章节片段

数学和数值建模

在本研究中，使用了基于自适应网格细化（AMR）的PeleC[19]求解器进行高保真直接数值模拟（类似于DNS），该求解器适用于可压缩和反应性流动，且已先前经过火焰加速和爆震起始过程的验证[20,21]。这里采用了二维（2D）可压缩Navier-Stokes（N-S）方程[19]，结合了21步化学动力学机制、详细的热化学模型以及Soave-Redlich-Kwong（SRK）气体状态方程[22],[23],[24]进行求解。

结果与讨论

本节将介绍并讨论案例（A）、（B）和（C）的主要发现。

结论

本研究从热力学变量的角度（包括热活性和熵生成）研究了封闭通道中存在障碍物时爆震的起始过程。主要结果表明，前沿冲击波加热了障碍物下方的流动。由于压缩作用导致的温度升高引发了快速的化学反应，这从化学熵生成（${\dot{S}}_{chem})$和物种热活性（尤其是H₂、O₂的显著贡献）中得到了体现。

CRediT作者贡献声明

Fernando Illacanchi：概念化、方法论、软件开发、数据整理、撰写初稿、可视化、模拟执行。Andrés Mendiburu：论文审阅、监督、资金筹集。Cesar Celis：研究设计、论文审阅、监督、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响到本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢西班牙国家科学技术与技术创新委员会（CONCYTEC）通过PROCIENCIA计划提供的支持，该项目属于2025–01基础研究计划（合同编号PE501095038-2025-PROCIENCIA）。Andrés Z. Mendiburu还得到了巴西CAPES机构的部分资助。

Fernando Illacanchi|Andrés Z. Mendiburu|Cesar Celis