随着现代工业生产规模大型化、生产集约化、生产工艺复杂化、生产过程高度自动化,可燃气体爆炸事故所导致的直接、间接损失和社会危害性也随之极速增加,可燃气体爆炸事故的预防和治理工作对可燃气体爆炸机理研究提出了迫切的需求。另外,应用了爆轰推进概念的新型推进技术研究,正成为最新飞行器推进技术研究的突破方向。通过爆燃转爆轰方式产生稳定传播的爆轰波这一方式具有较强的可控性,对于研究新型飞行器推进技术有着重大意义。因此,开展火焰加速以及爆燃转爆轰机理的研究,对于易燃易爆气体爆炸灾害的防治以及爆轰推进技术的研究具有重要的研究意义。本文主要研究工作和创新点如下:(1)基于氢氧6组分7步基元反应模型,建立了三维笛卡尔坐标系下考虑粘性扩散和热传导的多组分可压缩化学反应流体Navier-Stokes方程组。用五阶WENO格式离散空间对流项、六阶中心差分格式离散粘性项、显隐式Additive Runge-Kutta格式离散时间,开发了多维高精度并行计算程序,对多维微尺度光滑直管道中的火焰加速及爆燃转爆轰过程进行了数值模拟研究。利用编写的一维高精度程序对一维稳态层流火焰的传播过程进行了数值模拟研究,研究了网格尺寸对数值模拟结果的影响,给出了不同网格尺寸下一维稳态层流火焰传播过程中特征参数的变化情况,同时验证了程序的收敛性和精度。(2)对微尺度管道中爆燃转爆轰过程进行了二维直接数值模拟研究。实现了微尺度管道内氢氧预混气体从弱点火、火焰加速、爆燃转爆轰再到爆轰传播的全过程。发现由于压力波叠加形成间断,在火焰面前方形成了高密度区域,同时火焰又对火焰面前未反应气体进行加热。这样火焰传入高压高密度预热区域,反应的热释放率提高,使得火焰速度加速增长。这样和温度相关的正反馈机制的形成使得火焰速度急剧提高。(3)运用高精度大规模并行程序对微尺度氢气-氧气预混气体的火焰加速及爆燃转爆轰过程进行了三维数值模拟研究。根据对火焰传播过程中特征参数演化过程的分析,发现可以定性的将整个在管道内氢氧预混气体的火焰加速及爆燃转爆轰过程分为火焰失稳阶段、层流火焰加速阶段、火焰前方压力波形成、反应梯度机理形成、过驱爆轰形成、爆轰传播阶段这6个阶段,分析了每个阶段火焰阵面结构和流场特征参数的特征。(4)通过二维和三维数值模拟,发现微尺度爆轰依靠由粘性效应引起的弯曲爆轰结构能够在没有形成三波结构的情况下维持爆轰波持续传播,并且确定在三维0.24mm管道常温常压弱点火工况下爆轰波传播模式为“驰振式爆轰”。发现在微尺度管道中爆轰波阵面为弱弯曲阵面,弯曲的爆轰阵面与壁面作用使得爆轰波能够自持,壁面的粘性效应对爆轰自持具有正反馈作用。同时,发现壁面的粘性效应会引起火焰的动量损失,进而导致爆速亏损。(5)对管道宽度对爆燃转爆轰过程的影响进行了二维和三维直接数值模拟研究,发现管道宽度与火焰加速率呈明显负相关,DDT时间和DDT距离呈明显正相关。随着管道宽度的增加,根据火焰加速率不同火焰加速至爆轰经历的三个阶段越明显。当管道宽度(底面边长)为0.24mm时,没有观察到明显的回爆现象,而对于管道宽度更大的几种工况,均观察到了明显的回爆现象。(6)研究了三维管道中惰性气体(氮气)浓度对预混气体的火焰加速及爆燃转爆轰过程的影响。研究发现随着惰性气体(氮气)体积浓度的增加,火焰加速过程中湍流火焰阵面变得狭长,火焰前端阵面与管道壁面之间的边界层的厚度逐渐增加,预混气体火焰反应区的能量释放率降低,反应区内分子运动的激烈程度逐渐减弱,反应的剧烈程度降低。过驱爆轰瞬间爆轰波速随着氮气浓度的增加近似线性下降,爆燃转爆轰时间和距离近似指数增长。三维数值模拟结果揭示氮气对氢氧预混气体爆炸具有一定的抑制作用。