采用机器学习的二甲醚层流燃烧速度预测研究

为了明确二甲醚层流燃烧速度与混合气初始条件(温度、压力、当量比)之间的关系,基于大量的实验及数值模拟数据,利用机器学习多变量回归算法,建立了二甲醚/空气预混层流燃烧速度随初始条件的拟合关系式。通过与文献及数值模拟结果的对比,发现所建立的函数关系式能够在0.8～1.4当量比、298～373K初始温度和0.1～1.0MPa初始压力范围内得到准确的二甲醚层流燃烧速度预测结果。二甲醚层流燃烧速度随初始压力呈负指数关系,随初始温度呈正指数关系,化学当量比时,压力和温度指数的绝对值较小,混合气较浓或较稀时,压力和温度指数的绝对值增大,表明二甲醚层流燃烧速度随初始压力的增大而减小,随初始温度的升高而增大,且在较浓或者较稀的混合气条件下,层流燃烧速度随初始压力和温度的变化更为敏感。研究结果可以为二甲醚发动机数值模拟提供简单准确的层流燃烧速度输入数据,从而节约研究成本和计算时间。     

二甲醚-氢气-空气混合气预混燃烧的实验研究

在定容燃烧弹中,研究了不同燃空当量比、掺氢比和初始压力下的二甲醚-氢气-空气预混合气的一系列层流燃烧特性参数,并且系统地分析了当量比、掺氢比和初始压力对燃烧的影响.结果表明:随着掺氢比的增大,火焰传播速率、层流燃烧速率、燃烧压力升高率和质量燃烧速率都明显增大,火焰发展期和燃烧持续期则随之缩短;当掺氢比较低时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递减,即稀混合气的燃烧稳定性更高;当掺氢比较高时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递增,即浓混合气的燃烧稳定性更高;最高燃烧压力随着初始压力的升高而升高,受掺氢比的影响相对较小.     

高辛烷值燃料-空气预混层流燃烧特性研究

在定容燃烧弹中采用高速纹影摄像方法研究了不同当量比(φ=0.8～1.4)和初始温度(373K,423 K,473 K)下高辛烷值燃料-空气预混合气的层流燃烧特性,分析了当量比和初始温度对燃烧的影响.结果表明:拉伸火焰传播速率、无拉伸火焰传播速率、拉伸层流燃烧速率和无拉伸层流燃烧速率随着初始温度的增加而增加,无拉伸层流燃烧速率在φ=1.0～1.1附近有最大值;马克斯坦长度随初始温度的增加而增加,随当量比的增加而减小;燃烧压力峰值与混合气质量的比值在φ=1.1时出现最大值,初始温度增加,该比值相应增加.     

基于定容燃烧弹的不同初始压力甲烷爆炸特性研究

在工业生产现场中存在各种储罐,特别是在天然气柱罐区,天然气爆炸冲击波产生抛射物碎片形成多米诺骨牌效应。本文利用定容燃烧弹爆炸实验装置,通过设置不同初始压力、甲烷浓度条件,对不同初始压力下不同浓度甲烷爆炸特性进行了实验研究,结果表明初始压力增大,使甲烷-空气混合气的最大爆炸压力增大,爆炸危险性增加,初始压力对低浓度甲烷爆炸的最大压力影响最大;当量比浓度与爆炸下限之间的混合气体在初始压力增加时的正反馈效应,使当量比浓度与爆炸下限之间混合气体最大爆炸压力的增幅较当量比浓度与爆炸上限之间的增幅大,即当量比浓度与爆炸下限之间的混合气体较当量比浓度与爆炸上限之间的混合气体对初始压力更敏感。分析初始压力对甲烷爆炸传播的影响,对降低罐区甲烷爆炸事故的严重程度具有指导意义。     

非平衡等离子体对氨气/空气燃烧影响的数值模拟

为研究非平衡等离子体对氨气/空气在常温常压下燃烧的影响，利用CHEMKIN软件模拟实验条件下氨气/空气点火延迟时间，使用ZDPlaskin程序包研究常温常压下氨气/空气放电情况。将得到的O、H、OH自由基作为CHEMKIN初始条件，研究其对氨气/空气点火延迟时间的影响，分析点火时刻温度及活性自由基的敏感性。ZDPlaskin的研究结果表明，不同当量比混合气放电所产生的自由基粒子数密度相差不大。CHEMKIN的仿真结果表明，未加自由基时，当量比为0.8～1.2时，点火延迟时间受当量比的变化影响较小，加入自由基后，点火延迟时间随当量比的减小而降低；O、H、OH自由基可明显降低氨气/空气点火延迟时间，降低程度随初始温度的升高而减小；相同初始温度下，反应方程式与温度敏感性最大的反应方程式相同，随着温度升高，敏感性最大的反应式将发生变化，并且敏感性大幅度降低；不同初始温度下，多个反应式在温度与自由基敏感性最大反应式中重复出现，这是机理简化的重要依据。     

燃烧边界条件对异辛烷自然及爆震的影响

爆震现象是限制现代高强化内燃机热效率大幅度提高的关键技术瓶颈,而目前其机理尚不完全清楚.针对高强化内燃机在低速大负荷条件下存在的爆震及超级爆震异常燃烧现象,基于一台重复性良好的可视化快速压缩机,以自燃理论与现有爆震机理为理论基础,以测量燃烧室内瞬态压力以及分析高速摄影燃烧图像为主要研究手段,开展了燃烧边界条件对异辛烷-空气混合气自燃及爆震影响的试验研究,量化研究了有效能量密度、自燃模式与爆震强度之间的影响关系,初步探索了壁面温度对爆震强度的作用机理.结果表明:在当前试验工况下,随着初始温度的提高,异辛烷自燃时刻逐渐提前,爆震强度逐渐增强并出现了超级爆震;与初始温度对自燃时刻及爆震的影响规律类似,自燃时刻、爆震特性与初始压力呈正相关性;在当量比趋近于1时,异辛烷爆震强度显著增强并出现了超级爆震,而在当量比稍浓时有所减弱;但是综合而言,相较于初始温度,爆震强度对初始压力和当量比更加敏感;同时,爆震强度与可燃混合气有效能量密度密切相关,随着有效能量密度提高,正常燃烧逐渐向强烈爆震和超级爆震转移;另外,壁面温度对爆震强度也具有重要影响,相同有效能量密度条件下,壁面温度越高,爆震强度越强,甚至会诱发超级爆震.     

高温高压条件下甲醇-空气-稀释气层流燃烧速度测定

利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究了不同初始压力、初始温度、气体稀释度和燃空当量比下甲醇一空气混合气预混层流燃烧速度和Markstein长度,分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响．基于火焰纹影照片,分析了火焰前锋面形态随混合气初始状态的变化规律．结果表明：甲醇-空气混合气层流燃烧速度随初始压力的增加而降低,随初始温度的增加而增加．氮气作为稀释气添加后,混合气的燃烧速度随稀释度增加而减小．Markstein长度值随初始压力增加而减小,随初始温度增加而减小,随气体稀释度增加而增大．随初始压力增加,火焰前锋面不稳定性增加,皱褶火焰前锋面出现的时刻提前．     

脉冲爆震发动机热力循环性能分析

分析了混合气体中燃烧产生的爆震波的传播机理,建立了爆震波传播过程中参数的基本关系。在不同进气增压比条件下,对爆震波的特性参数进行了计算,得出了爆震波前后气流参数的变化关系;并计算了爆震燃烧循环过程的热效率和爆震燃烧不可逆过程中熵增随爆震波前马赫数的变化规律。最后将爆震燃烧循环与布莱顿循环、甘福利循环进行比较,结果表明：爆震燃烧循环具有更高的有效循环功和循环热效率。     

利用激波管测量丁醇着火延时的试验

在双膜化学激波管实验装置上,运用反射激波测量了丁醇 氮气 氧气混合气在温度1 04332~1 16372 K、压力671~835 kPa、当量比分别为1.0、1.5、0.5下的着火延迟. 试验结果表明：随着温度的增加,丁醇的着火延时缩短,并且着火延时的对数与温度的倒数呈正比,满足Arrhenius关系式;随着当量比的升高,着火延时减小. 根据试验数据,构建了丁醇 氮气 氧气混合气着火延迟的Arrhenius关系,丁醇着火延时对压力的依赖性很高,而活化能对当量比的变化不敏感.     

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。     

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.     

等离子体低压电极孔对点火起爆的影响

针对以低温等离子体点火起爆的脉冲爆震发动机,研究放电区体积不变,低压电极孔对点火触发爆震发展过程的影响. 以丙烷为燃料,空气和纯氧为氧化剂,充分考虑其详细化学反应动力学机理,将低温等离子体放电区等效为高温高压火核,利用Fluent软件,对不同低压电极孔数和直径的5种点火器结构,进行点火起爆过程数值模拟. 结果显示,低压电极孔数多、直径大,初始阶段放电区压力和温度下降快;爆震管内轴向初始火焰体积随低压电极孔面积增大而减小、火焰传播速度变慢,爆震波峰值压力增加缓慢,DDT时间大幅增加;低压电极孔面积越小,越有利于触发爆震;对多循环工作的PDE,需合理设定低压电极孔数和直径,以获得良好的点火起爆特性.      

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。     

初始压力对狭缝内爆轰传播特性影响的实验研究

在高度H=1 mm,宽度W=20 mm的狭缝内,实验研究了不同初始压力(P_0=10~40 k Pa)下化学恰当比的C_2H_4/O_2预混气的爆轰传播特性。采用烟迹法记录爆轰胞格结构,同时采用高速摄影捕捉火焰面。实验结果表明,随着初始压力降低,爆轰波的化学反应诱导区距离增大,壁面条件(如摩擦、导热)的影响增强,导致火焰传播的速度震荡加剧,爆轰波传播从多头模式向单头模式过渡,并可出现多次起爆或者熄爆等复杂现象。此外,稳定自持传播爆轰波的速度亏损会随初始压力降低而增大,但详细规律还需进一步研究。     

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。     

详细化学反应模型中温度修正项特性研究

本研究主要讨论了爆轰过程中混合气体比热比的变化、详细化学反应模型中温度修正项的函数表达形式、以及活化能对化学反应动力学特性的影响.通过对传统Arrhenius定律的分析完善,提出了具有温度指数修正的总包一步爆轰计算模型.采用几个常用的爆轰计算模型,对满足化学当量比的H2/Air混合气体,开展了爆轰特性的数值模拟对比研究.计算结果表明,新提出的爆轰计算模型能够得到的胞格尺度与实验值符合良好,首次实现了爆轰波胞格尺度的定量数值模拟.论文进一步建立了总包反应模型与详细化学反应模型之间的关系,讨论了详细化学反应模型中温度修正项的物理意义.     

典型相似结构柱壳装药殉爆响应数值模拟

为了研究相似结构柱壳装药殉爆响应的差异,选用常用于考核炸药殉爆不敏感性能的两种具有几何相似特性的典型柱壳装药结构,并采用数值模拟方法对φ60 mm和φ120 mm两种弹体的殉爆过程进行了分析.结果 表明,两种弹体壳体破裂形成的自然破片长宽比约为3.5:1,破裂前壳体壁厚与破片厚度的比值在1.5～1.75;φ60 mm弹体主发弹壳体破裂后形成尺寸较小的自然破片,被发弹发生殉爆是由于相邻多枚小破片撞击后压力叠加的结果,单枚小破片由于撞击后侧向压力波稀疏效应明显而无法起爆被发弹,增加弹间距降低了多枚小破片同时击中被发弹同一区域的概率;对于φ120 mm弹体,随着壳体厚度的增加,主发弹壳体破裂后形成尺寸较大的自然破片,单枚较大质量的破片撞击被发弹壳体的压力波汇聚效应较强,侧向稀疏区域较小,因此可以冲击起爆被发弹,增加弹间距只是降低较大质量破片击中被发弹的概率.研究结果为不敏感炸药殉爆考核的试验方法设计及结果分析提供参考.     

影响气相爆轰波稳定性边界的通用两步反应模型参数分析

为了建立可靠的爆炸预测和分析模型,采用两步诱导-放热反应模型,数值模拟了不同参数条件下的一维爆轰波振荡过程。通过分析各参数与爆轰波面压力振荡模态的关系,寻找稳定振荡模态对应的临界参数,获得了由诱导区活化能EI、放热区活化能ER和反应速率常数kR构造的一维爆轰波稳定性边界。计算结果表明:增大EI和kR,或减小ER,会促进一维爆轰波向不稳定发展;对于给定的EI,稳定性边界对应的ER越大,与之匹配的kR也越大;在合理的参数范围内,EI越大,ER和kR满足一维爆轰波稳定的取值范围越小;EI在15.25~20.25区间内,稳定性边界对kR的变化比较敏感;EI在20.25~25.25区间内,稳定性边界对kR的敏感程度大大降低。研究获得的稳定性边界,可为将来利用两步反应模型研究多维爆轰波稳定性的参数选择提供参考,据此建立的爆炸预测模型,可以应用于爆炸现场分析及还原,爆炸物销毁现场方案制定和风险评估,搜排爆防护装备的研发改进,以及隔爆抑爆技术研究等领域。     

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。