激波和爆震波在U形管中传播过程模拟

为缩短爆震室轴向尺寸,并满足爆燃波向爆震波转变(DDT)或激波向爆震波转变(SDT)距离的需求,采用曲管爆震室代替直管爆震室来研究曲管中的爆震特性。应用数值方法对激波在U形管中传播、加速过程,SDT过程以及爆震波在U形管中的传播过程进行了模拟。U形管的曲率直径和入射激波强度对SDT有很大影响,较小的曲率直径对SDT有较大的促进作用;在入射激波速度大于960 m/s,曲率直径小于78 mm时,激波可以成功向爆震波转变;爆震波在弯管段形成后,向上游和下游两个方向传播,传播的速度和压力均不同;向上游传播的爆震波可以显示出"三波点"的运动轨迹;弯曲光管对爆震波在短距离内形成是有利的,可以用来作为预爆管。     

斜爆震发动机的流动与燃烧机理

斜爆震发动机是一种用于吸气式高超声速飞行器的新型动力系统.它利用斜爆震波实现超声速气流中的高效燃烧,具有放热快、比冲高、燃烧室短、运动部件少等科学和技术优势,是高超声速推进技术的前沿方向.这种发动机的关键是斜爆震波的起爆与波系控制,因此需要对燃烧室的流动与燃烧机理进行深入研究.在激波与燃烧耦合作用下,斜爆震会形成具有多波结构的起爆区,是一种受燃料性质影响的复杂波系结构.这种波系结构通过高速来流的作用驻定在楔面上,然而其对来流参数变化非常敏感,因此需要对可能出现的非定常波动力学过程进行研究.此外,受限空间中的斜爆震结构,即斜爆震波系结构与发动机几何约束的作用,也是斜爆震发动机研制必须面临的问题.本文对上述几个方面的研究进展进行了综述,在总结研究成就的基础上,阐释了斜爆震发动机研制面临的关键问题,提出了下一步研究需要重点关注的方向.     

两步起爆过程中爆震波衍射特性研究

为了研究两步爆震起爆过程,通过数值模拟研究了填充条件和预爆管出口伸进扩张过渡段的长度L对爆震波衍射特性的影响规律。结果表明:L越小扩张过渡段对爆震起爆的加强作用越明显,但预爆管与扩张过渡段间的渐扩通道对爆震波回传的阻滞作用越弱;L越大,则结果相反。因此,应选择合适的L使扩张过渡段与渐扩通道对爆震波传播的增强作用达到最大。同时,在L=35mm时,爆震波能够较早地与扩张过渡段壁面作用形成高温、高压区,从而加强了爆震波的传播,且预爆管与扩张过渡段之间的渐扩通道能对回传的爆震形成一定的阻滞作用。     

三维爆震引射增推性能数值计算及验证

本文对三维圆形爆震室引射增推性能进行了数值模拟和试验验证。应用数值方法对爆震波衰退为激波后的传播、排除过程进行了多循环模拟,分析了三维爆震波非稳态引射流场的变化过程,得到了与文献一致的结果;对多循环爆震引射过程的瞬时推力、冲量以及爆震室出口的质量流量进行了分析研究;引射喷管在不同位置处时对爆震室的推力增量值进行了对比,发现在引射喷管轴向位置X=0mm处时推力增量达到最大值,试验验证了这一结论。     

基于特征线的脉冲爆震发动机性能估算与结构参数设计

在x-t平面建立了脉冲爆震发动机(PDE)爆震室内爆震波传播过程的物理模型,在此基础上应用特征线算法给出了一种脉冲爆震发动机性能参数估算方法,确定了PDE性能参数与结构参数之间的定量关系,建立了PDE结构参数的设计方法。用算例对不同推力水平的脉冲爆震发动机结构参数进行了设计与分析,为脉冲爆震发动机设计与应用提供理论依据。     

火焰聚心和激波聚焦诱导爆震波

对几种不同结构形式的爆震发生器进行了数值模拟,来研究激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程。数值计算发现用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程,有利于激波的加强。强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同。对数值计算的结果分析得出了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考。     

爆轰现象

本书介绍了可燃物的爆轰现象,特别是气体的爆轰现象。首先介绍了爆震波的经典理论、爆震波内的流场确定、包括爆燃以及从爆燃过渡到爆轰过程的气体动力学理论和爆轰产物的动力学、层流结构;随后的章节详细描述了爆震波不稳定结构,文章提出了一维、二维、三维的计算模拟和各种实验结果,讨论了限制和边界条件对爆轰的影响,介绍了作者提出的有耦合的能量释放导致击波强化的起爆机制,     

混合气压力对爆震波特征参数的影响规律

在混合气当量比一定的条件下，采用平衡常数法对烃-空气系统的爆震燃烧产物的平衡温度、平衡压力及爆震波速进行了计算及比较。在此基础上研究了混合气压力对爆震波特征参数的影响规律。结果表明：在同一当量比下，平衡温度和爆震波速随混合气压力变化规律一致，随着初始压力的增大而增大，逐渐趋于一最大值。平衡压力与初始压力呈线性增大。同时，对于不同燃料，分子量越大，其平衡温度、平衡压力就越大。     

甲烷煤尘爆轰参数计算及实验研究

为研究甲烷煤尘爆轰过程中气固两相耦合效应及量化关系.采用理论分析和实验的方法,计算了不同体积分数的甲烷、不同质量浓度的煤尘及甲烷煤尘混合物在燃烧、爆轰过程中爆压和爆速等重要参数.理论分析揭示了燃烧波、爆轰波的传播特征,爆炸实验验证了燃烧波和爆轰波传播规律.研究结果表明:甲烷的燃烧加速煤的热解,煤粉挥发份析出较快;初始阶段甲烷气体的反应速度快,压力上升速率快;煤在高温下快速热解出可燃气体,并发生闪燃;因此,甲烷煤尘混合物爆轰比单一的气相、固相爆轰的分析和测试困难的多.该研究成果对于煤矿安全生产防治抑爆技术等应用具有参考价值.     

填充系数对脉冲爆震发动机性能影响分析

推导了守恒元与求解元(CE/SE)方法的计算格式,用于对几种不同填充系数的脉冲爆震发动机内流场进行计算,发现CE/SE方法是一种较好的爆震波模拟方法,能够有效地捕获爆震波等强间断.计算结果表明:填充系数对脉冲爆震发动机性能影响较大,填充系数越大.产生的平均推力就越大、比冲越大;减小填充系数可以增加燃料的效率.计算结果对改进或优化脉冲爆震发动机性能具有一定的参考价值.     

初始压力对爆轰波在管道内传播的影响

建立爆轰管道研究不同初始压力下爆轰波在管道内传播规律.选用CH4+2O2气体,采用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波胞格结构.结果表明:爆轰波在管道内传播时出现5种不同传播模式,分别为稳态式、快速波动式、结巴式、驰振式与失效模式.在稳态传播模式下,爆轰波局部速度波动很小且平均速度接近理论爆轰CJ速度,并呈现多头胞格结构.随着初始压力的降低,爆轰波局部速度波动增加且其平均速度产生衰减.在驰振式爆轰解耦处,爆轰波胞格结构消失,过载爆轰时,重新形成胞格结构.进一步降低初始压力至爆轰失效时,则无胞格结构.     

石墨对混合炸药爆轰流场影响数值模拟研究

为研究石墨颗粒对混合炸药爆轰性能及爆轰传播的影响,运用有限元分析软件建立了混合炸药二维平面细观结构模型,对不同石墨含量、粒度混合炸药的爆轰传播过程进行了数值模拟,结果表明,爆速的模拟计算结果与实验规律一致,沿着爆轰传播的方向,石墨颗粒内部压力逐渐提高,周围炸药的压力也逐渐升高,形成了特殊的爆轰流场压力分布.      

狭缝内C2H4/O2预混气的起爆与速度亏损

受限通道内的预混气起爆与传播受外界因素影响较大,如初始压力、通道尺寸等。通过自制不同高度的狭缝通道,考察了狭缝高度和初始压力对C_2H_4/O_2可燃预混气起爆特性及传播过程的影响。结果发现:改变初压和狭缝高度确实对预混气起爆有较大影响,尤其是狭缝高度的不断降低可能获得不同于常规管道的DDT特性;爆轰波的速度亏损同时与初压和狭缝高度有关,其值正比于H~(-0.8)P_0~(-0.5)。考虑到实验结果的局限性,后续还需进行多次重复实验,以获得更加准确的实验数据。     

激光支持等离子体爆轰波流场研究

采用高速纹影摄影法记录激光支持等离子体爆轰波流场的演化,得到流场冲击波阵面形状和尺寸随时间变化规律。建立激光支持等离子体爆轰波流场演化的物理模型,采用计算流体力学方法模拟计算激光击穿空气后,激光作用时间内及激光作用结束后等离子体流场演化过程。结果表明,纹影摄影法能有效观测到激光支持等离子体爆轰波的传播情况。等离子体爆轰波在激光作用初期为椭球形,随着时间的增加逐渐转变为球形。计算的等离子体爆轰波流场密度分布图与实验结果基本吻合。     

单循环脉冲爆轰发动机的数值模拟

对高温火团引发的甲烷-空气混合气体的爆轰过程及管内、外流场做了二维轴对称数值模拟，考虑了CH4-O2-N2的详细化学反应动力学机理，该机理包含了19个基元反应和14种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Navier-Stokes方程，使用改进的波传播方法求解流场，使用基于隐式Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入喷嘴后衰减为激波以及进入外流场的全过程。还对轴线上的压力分布和封闭端的推力等进行了讨论，为脉冲爆轰发动机的开发研制提供信息。     

初始条件对管道内爆轰波传播特性影响研究

实验研究了C_2H_2+2.5O_2+nAr气体爆轰波传播特性随初始条件变化规律。采用光电二极管测量爆轰波传播速度,烟迹法记录爆轰波胞格结构。结果表明:随初始压力降低,爆轰波在管道内出现稳态式、快速波动式、失效式传播模式。稳态式传播时爆轰速度局部波动小于平均速度的5%,初始压力对爆轰速度几乎无影响;快速波动式传播时爆轰速度局部波动增大,平均速度发生衰减,衰减幅度随初始压力降低而增大。随Ar稀释浓度增加,爆轰速度逐渐减小,且Ar稀释浓度对爆轰速度的影响显著。胞格尺寸随初始压力的降低而增大;稳态气体胞格结构规整;而非稳态气体胞格结构杂乱。     

爆轰波转弯传播的延迟现象

通过实验,研究了爆轰波转弯传播时所出现的延迟现象,揭示了该现象产生的物理本质。通过对延迟时间随装药尺寸和弯折角度变化规律的研究,得到了关于爆轰波非直线传播问题的几点有价值的结论。     

基于SD_Toolbox和Cantera的气体C-J爆轰参数计算及规律分析

为研究混合气体爆轰问题,通过利用冲击爆轰专业计算工具箱SD_Toolbox和开源的化学反应动力学计算代码Cantera研究了气体C-J爆轰参数计算方法与规律。结果表明:将SD_Toolbox和Cantera耦合可以进行混合气体爆轰问题的C-J爆轰参数计算;以H_2/O_2、CH4/O_2和C_2H_2/O_2三种不同的混合气体组分为例,在化学反应比初始条件下,分别计算了其C-J爆轰参数;通过与文献中结果的比较,验证了计算的准确性。可见,基于SD_Toolbox和Cantera可以进行气体C-J爆轰参数规律分析,包括初始温度、初始压力和爆炸气体浓度对爆轰产物压力、密度、温度和爆轰波速的影响规律等。