Qualitative and Asymptotic Theory of Detonations
Théorie qualitative et asymptotique des détonations
Résumé
Shock waves in reactive media possess very rich dynamics: from formation of
cells in multiple dimensions to oscillating shock fronts in one-dimension. Because of
the extreme complexity of the equations of combustion theory, most of the current
understanding of unstable detonation waves relies on extensive numerical simulations
of the reactive compressible Euler/Navier-Stokes equations. Attempts at a simplified
theory have been made in the past, most of which are very successful in describing
steady detonation waves. In this work we focus on obtaining simplified theories
capable of capturing not only the steady, but also the unsteady behavior of detonation
waves.
The first part of this thesis is focused on qualitative theories of detonation, where
ad hoc models are proposed and analyzed. We show that equations as simple as a
forced Burgers equation can capture most of the complex phenomena observed in
detonations. In the second part of this thesis we focus on rational theories, and
derive a weakly nonlinear model of multi-dimensional detonations. We also show,
by analysis and numerical simulations, that the asymptotic equations provide good
quantitative predictions.
Les ondes de choc dans les milieux réactifs possèdent une dynamique très riche: de la formation
cellules en plusieurs dimensions à fronts de choc oscillant en une seule dimension. À cause de
l'extrême complexité des équations de la théorie de la combustion, la plupart des
la compréhension des ondes de détonation instables repose sur des simulations numériques
des équations réactives compressibles d'Euler / Navier-Stokes. Tentatives de simplification
théorie ont été faites dans le passé, dont la plupart sont très efficaces pour décrire
ondes de détonation régulières. Dans ce travail, nous nous concentrons sur l'obtention de théories simplifiées
capable de capturer non seulement le comportement stable, mais aussi les ondes de détonation instables.
La première partie de cette thèse se concentre sur les théories qualitatives de la détonation, où
des modèles ad hoc sont proposés et analysés. Nous montrons que des équations aussi simples Burgers forcée peut saisir la plupart des phénomènes complexes observés dans les
détonations. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous concentrons sur les théories rationnelles, et
dérive un modèle faiblement non linéaire de détonations multidimensionnelles. Nous montrons également,
par analyse et simulations numériques, que les équations asymptotiques fournissent une bonne
prédictions quantitatives.
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