可燃气体的爆炸过程包括点燃、火焰加速以及爆燃转爆轰过程,在各个阶段中火焰的传播原理都不相同。了解火焰加速及爆燃转爆轰的原理对于气体爆炸事故的预防和处理具有重要的作用。由于气体燃烧与爆炸实验的高昂代价以及危险性,利用高性能计算机对火焰传播过程的数值模拟研究已经成为当前主要研究方式之一。针对可燃气体燃烧与爆轰的物理过程,通过编写直接数值模拟算法对氢气在空气中以及氧气中的的点燃与燃烧以及爆轰过程进行模拟研究,并分析计算结果。以下对本文的主要研究内容及创新成果进行说明。(1)完成了描述火焰传播过程的多组分可压缩Navier-Stokes方程的物理模型推导,以有限差分法为数学原理,对对流项的空间离散采用五阶WENO格式,对黏性项和扩散项的空间离散采用六阶中心差分格式,对时间迭代采用三阶Runge-Kutta格式进行计算。将一步化学反应模型和详细化学反应模型添加入物理模型中,编写了大规模高精度计算程序,实现火焰传播过程的直接数值模拟,通过计算常压下的火焰燃烧过程的物理参数和实验结果对比,验证程序的准确性和收敛性。(2)比较了不同化学反应模型对氢气空气混合气体的点燃、火焰加速及爆燃转爆轰过程的影响,包括不同初始压力条件下的层流火焰速度、绝热火焰温度、点火延迟时间。发现一步反应模型不能正确地描述点火延迟时间和高压条件下的层流火焰速度,而详细反应模型的计算结果与实验数据保持一致。这是因为一步反应模型的模型参数是通过常压下的物理状态参数反推计算得到的,因此只能模拟对应状态下的火焰传播过程,另外由于一步反应模型没有吸热反应阶段,因此在化学反应过程中直接开始放热升高温度,使得一步反应模型的点火延迟时间比详细反应模型的计算结果和实验数据要低数个量级。(3)通过计算一维温度梯度模型问题,分析氢气空气混合气体的爆燃转爆轰过程。比较了不同化学反应模型引起爆轰所需的温度梯度尺寸,发现一步和详细反应模型由于放热反应影响,压力波和自发波之间耦合的时间和位置明显不同。由于一步反应模型的点火延迟时间短导致自发反应速度更快,因此达到稳定爆轰所需的热点尺寸比详细反应模型更短,计算结果表明一步反应模型不能正确地模拟点火和爆燃转爆轰过程。另外,分析了数值黏性和数值耗散对爆轰过程的影响,发现在温度梯度模型问题中,需要维持必要的数值耗散以产生稳定爆轰,并保证计算结果收敛。(4)选择采用详细化学反应模型以及计算速度更快的HWENO数值格式,计算了氢气氧气混合气体在细尺寸管道内的火焰加速和爆燃转爆轰过程,分析了火焰速度随时间的变化、管道内中轴线处压力温度随时间的演化曲线,发现火焰面前方的局部热点产生的爆轰是达到爆燃转爆轰状态的关键。对计算过程中数值振荡对火焰传播过程的影响进行分析。