Page 34 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 郭 丁，等： 基于大型激波管氢氧爆轰驱动方式产生冲击波波形调控的数值模拟 第 9 期

和体积分数为 79% 的氮气（N ）构成。模拟采用控制变量的方法，通过改变驱动气体的初始温度 T 、压
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2
力 p 和组分，并设置不同变截面出口开口角度，探究驱动初始条件以及激波管几何构型对形成的爆轰冲
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击波特征参数的影响。因此，设置如表 1 所示的不同工况，表中 φ 为在初始驱动气体中掺入的低反应活
性气体的体积分数，L 为驱动管长度，ϕ 为氢氧混合当量比。

表 1 不同工况初始条件设置
Table 1 Initial settings of different working conditions
工况 驱动气体组分 低反应活性气体掺混 φ/% T 0 /K p 0 /MPa L/m ϕ tan θ
1 H 2 /O 2 无 0 300 1.0～2.0 30 1 0.3
2 H 2 /O 2 无 0 300～350 2.0 30 1 0.3
3 H 2 /O 2 N 2 /He/Ar 50 300 1.0 30 1 0.3
4 H 2 /O 2 N 2 25～50 300 1.0 30 1 0.3
5 H 2 /O 2 无 0 300 3.0 9～30 1 0.3
6 H 2 /O 2 无 0 300 1.0 30 1 0.1～0.4
7 H 2 /O 2 无 0 300 2.685 30 1 0.3
8 H 2 /O 2 N 2 25 300 2.69 30 1 0.3

1.3 化学反应模型
模拟大型激波管驱动管内部氢氧爆轰产生的冲击波压力波形，计算量较大，为了简化计算，采用七
步氢氧化学反应简化机理模型 [25] 描述爆轰反应过程。化学反应速率采用 Arrhenius 公式描述：
E a
n −
k(T) = AT e RT
式中：T 为环境温度，A 为指前因子，n 为温度系数，E 为活化能，R 为理想气体常数。本文中七步氢氧化
a
学反应简化机理模型参数如表 2 所示。

表 2 七步氢氧化学反应简化机理模型参数
Table 2 Parameters for seven-step hydrogen-oxygen chemical reaction mechanism model
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反应步 基元反应 A n E a /(kJ∙mol )
1 H 2 +O 2 = OH+OH 1.70×10 13 0.00 101.07
2 H+O 2 = O+OH 1.20×10 17 −0.91 34.77
3 H 2 +OH = H 2 O+H 2.20×10 13 0.00 10.84
4 H 2 +O = OH+H 5.06×10 4 2.67 13.24
5 OH+OH = H 2 O+O 6.30×10 12 0.00 2.30
6 OH+H+M = H 2 O+M 2.12×10 22 −2.00 0.0
7 H+H+M = H 2 +M 7.30×10 17 −1.00 0.0
注：(1) 第 6 步第三体（碰撞系数）分别为 H 2 （2.5）、H 2 O（12.0）、N 2 （1.0）、Ar（0.4）、He（0.4）；
(2) 第 7 步第三体（碰撞系数）分别为 H 2 （2.5）、H 2 O（12.0）、N 2 （1.0）、Ar（0.5）、He（0.5）。

模拟中各组分均为真实气体，由于驱动管内的氢氧爆轰发生后，驱动管内的压力可达到数十兆帕，
因此采用 Peng-Robinson 真实气体状态方程表征：

RT a
p = −
V −b V (V +b)+b(V −b)
b 为偏摩尔体积。该状态方程适用于描述高压气体物理过程，该过
式中： V 为摩尔体积， a 为偏分子体积，
程中各组分的比热容和气体常数均为温度的函数。

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