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。     

阻火器壳体结构与爆轰火焰状态关系研究

针对大型煤矿瓦斯运输管道甲烷爆轰过程中火焰压力波和速度与阻火器结构的匹配问题,对阻火器壳体结构变化与管道内火焰压力和速度的关系进行了仿真研究,仿真中对不同尺寸的阻火器壳体结构建立了二维几何模型和网格模型,采用RNC k-e湍流模型和通用有限速率燃烧模型,运用FLUENT软件对煤管内可燃气体爆轰过程进行了模拟.得到了阻火器壳体内径尺寸、阻火器内有无障碍物与爆轰火焰压力和速度的变化规律,通过分析阻火器内火焰速度和压力的规律,为管道爆轰阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据.     

不同燃料及初始条件下的胞格测试实验

为直观了解不同初始条件下不同燃料(H_2、C_2H_2、C_3H_8)的胞格大小变化规律,在产生稳定爆轰波的前提下,进行了单次爆轰性能研究。在60 mm×60 mm×2 000 mm方爆轰管的侧面设置采样段来获得胞格演变的烟迹图,从燃烧机理分析胞格演化机制。试验结果表明:1化学键的饱和程度越低越易形成胞格,且化学键的饱和程度在胞格形成过程中起主要作用;2初始条件相同时,初始压力越低、氮气含量越高,胞格的尺寸越大。     

文氏管对脉冲爆轰火箭发动机工作过程影响实验研究

为了研究文氏管对脉冲爆轰火箭发动机雾化混合和燃烧转爆轰过程的影响,对不安装文氏管和安装3种喉部半径(10 mm,20 mm,30 mm)文氏管的脉冲爆轰火箭发动机进行了实验研究。实验结果表明:安装文氏管时,雾化混合效果更好;如果满足爆轰管内填充系数为1,应该选取喉部尺寸较小的文氏管来改善雾化混合效果;改善雾化混合效果有利于提高发动机的工作频率和爆轰波压力峰值。     

管道内运动火焰生成压力波及其特性的研究

从一维非定常守恒方程出发 ,本文用Richtmyer Lax Wendroff格式研究了压缩波、稀疏波、燃烧速率、火焰熄灭和管道长度对管内运动火焰生成压力波的影响 .结果表明 :相对于火焰面 ,同向压力波和异向稀疏波会加速火焰传播 ;异向压力波和同向稀疏波使火焰传播减速 ;增大燃烧速率使得和火焰面两侧的压力、温度增大 ;火焰熄灭时 ,火焰面变为接触间断面 ,同时产生稀疏波向火焰面两侧传播 .此后 ,接触间断面几乎处于滞止状态 ;增加管子长度会促使燃烧向爆轰转变 .     

脉冲爆轰推进装置中波过程的实验研究与分析

研究了脉冲爆轰推进装置(PDE)中各种波的过程与相互作用,包括爆轰波的建立与传播、爆轰波后的Tay-lor稀疏波以及因开口处气流膨胀产生的反射稀疏波等.在实验中引入了预燃腔从而实现了氢气/空气混合气体的快速起爆.针对实验结果,采用CJ理论以及不带化学反应的多组分Euler方程对整个PDE装置的波运动过程进行了分析,其结果显示出口端反射稀疏波足以排出爆轰管内的爆轰产物,使爆轰管内的压力降低到较低的水平.最后给出了一定燃料/氧化剂的混合气体和初始压力下估算该PDE的推力性能以及最大可能的工作频率的方法.     

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.     

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.     

障碍物对火焰加速及爆燃转爆轰过程影响研究

为研究设障管内火焰传播特性以及爆轰转捩机理，比较固体障碍物和流体障碍物对火焰加速以及爆燃转爆轰（DDT）过程影响的区别，采用CFD软件对丙烷、氧气和氮气在爆轰管内爆燃转爆轰过程开展了模拟研究。研究结果表明：火焰前锋在固体障碍物的作用下，呈现先加速后减速的趋势；而火焰前锋在流体障碍物的作用下，加速趋势更为稳定。将首个固体障碍物改为流体障碍物能够缩短爆燃转爆轰的时间与距离，爆燃转爆轰距离与时间随着流体障碍物个数的增加呈现先减小后增加的趋势。     

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。     

发动机爆震室气液两相爆轰性质

利用爆轰波产生周期性冲量是脉冲爆震发动机推进系统的关键.建立非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,以正庚烷液体燃料为例,采取高分辨率的MUSCL(monotonic upwind scheme for conservation law)格式,针对发动机爆震室气液两相爆轰的热力、动力学性质展开数值研究,计算所得的爆轰波压力与实验结果较为一致,且基于较小粒径的燃料液滴(25μm),计算爆轰波C-J(Chapman-Jouguet)状态对应的爆轰参数与理论值接近,验证了建立的模型和研究方法是正确的.同时,讨论爆轰管内燃料液滴粒径对爆轰波参数的影响.结果显示,在均匀预混时,液滴破碎蒸发域宽度仅与燃料初始粒径有关.随着燃料初始粒径的增大,液滴破碎蒸发域宽度增加,且两者存在线性关系.同时,当燃料初始粒径从25μm增大至100μm,爆轰波反应区宽度增大了240%,而爆轰的压力峰值从7.08 MPa降低至5.14 MPa.     

火焰在环形通道内形态演变的实验研究

采用实验方法研究环形通道内体积比为1∶3的乙烯/氧气混合气体以及体积比1∶2.5的乙炔/氧气/氩气混合气体的火焰形态演变过程.实验方面采用高速摄影观察环形通道内的火焰传播.火焰经历了四个主要阶段:球形火焰、手指型火焰、舌形火焰和爆轰,其中舌形火焰在整个爆燃到爆轰转变(deflagration to detonation transition,DDT)过程中占据了最长的时间,并且在爆轰起爆中占据重要作用.另外,舌形火焰与边界层的作用使得火焰表面积和火焰速度有所增加.也讨论了初始压力对DDT起爆距离的影响,对于同种气体,初始压力的增大有助于缩短DDT起爆距离.此外,在爆轰敏感性相同的前提下,不规则系统中的DDT起爆距离要短于规则系统中的DDT起爆距离.     

火焰速度与超压关系

在试验的基础上,探讨了瓦斯爆炸过程中火焰速度与超压之间的关系,研究结果表明：在瓦斯爆炸过程中,冲击波阵面的强度与火焰速度有关;无障碍物时,火焰速度小于１００ ｍ ／ｓ,产生的冲击波较弱,冲击波阵面上超压较小;随着障碍物的增多,火焰加速显著,一旦火焰速度加速超过２００ ｍ ／ｓ,冲击波阵面上的超压则显著提高,冲击波阵面强度增大,这种高速火焰的压力波所引起的爆炸波破坏效应与爆轰波产生的爆炸波破坏效应相当,对于煤矿井下来说,会严重破坏设备,导致人员的较大伤亡。     

脉冲爆轰发动机近场爆轰噪声特性研究

为探索气液两相脉冲爆轰发动机爆轰噪声形成机理及控制方法,对雾化汽油近场爆轰噪声进行测量分析,建立理论模型并利用时空守恒元/求解元方法(CE/SE)进行数值仿真。结果表明:爆轰噪声主要由冲击噪声和射流噪声组成;冲击噪声在爆轰噪声中占主导作用,并引起爆轰噪声峰值;爆轰噪声峰值与径向距离三次方成反比;在0°、30°、45°和90°方向拟合得到的衰减系数分别为4.3×10-2、3.4×10-2、2.8×10-2和7.0×10-3;脉冲爆轰发动机近场爆轰噪声峰值指向性明显;随着角度的增大,爆轰噪声峰值逐渐降低;随着轴向距离的增加,射流噪声逐渐减小;当轴向距离小于900 mm时,射流噪声衰减速度小于冲击噪声衰减速度,当轴向距离大于1 200 mm时,射流噪声衰减速度大于冲击噪声衰减速度。     

不同曲率弯管对气相爆轰波传播特性的影响

采用附加Runge-Kutta方法,5阶加权无震荡格式和基元反应模型,对规则爆轰波在15°,20°,30°,40°,45°,60°光滑弯管的传播过程进行了数值模拟. 本文采用的基元反应模型是9组分48反应模型,反应气体为满足化学当量比的H₂/O₂混合气体,并用氩气稀释. 分析数值模拟结果发现所有弯管胞格结构都从规则变为不规则,随着弯角度数的增加,爆轰胞格结构从有到消失,爆轰波从没有熄爆区到有熄爆区,30°是有无胞格消失区、产生熄爆与非熄爆的临界度数;在一定压力下,大于30°的弯管下游都会产生重新起爆的现象;由于弯管的复杂性,爆轰波的反射在下壁面存在马赫反射和规则反射两种模式.     

甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究

针对CH4这种特别气体,对其实验结果运用数字化处理方法研究CH4稳定性.在内径50.8 mm圆形管道内获得CH4+2O2预混气在不同初始压力条件下的胞格爆轰结果并使用烟膜记录,且测得的平均爆轰速度数据与CJ爆轰速度接近,在初始压力高于5 kPa时爆轰可稳定传播.烟膜上形成的三波点轨迹十分不规则.为减少人为误差,使用改进后的数字化处理烟膜图像的技术方法,从烟膜轨迹中得出柱状图及自相关函数结果,发现CH4+2O2是一种爆轰十分不稳定的气体,并给出CH4+2O2预混气的爆轰胞格尺寸及差距,结果显示人为测量结果偏大而数字化处理方法更为准确.这种方法能计算CH4+2O2预混气胞格尺寸及不稳定度,完善了定量化预混气不稳定程度的方法.     

初始条件影响气体非稳定爆轰波在弯管中传播特性的实验研究

对丙烷 氧气 空气的预混气体非稳定爆轰波通过圆形截面弯管时传播特性包括弯管角度以及预混气体的初始浓度和初始压力的影响因素进行了初步的实验研究 .结果表明 ,初始条件对可燃气体非稳定爆轰波经过弯管时爆轰参数有很大影响 .随着弯管角度的增加 ,弯管后非稳定爆轰波强度先增加后减小 ,弯管前非稳定爆轰波强度变化很小 ;随着预混气体的初始浓度和初始压力的增加 ,弯管前后非稳定爆轰波强度增加 .这一实验研究结果对安全使用管道阻火器具有重要的实际意义     

利用PIV技术对水平携带床内气流分布速度的研究

为研究氩气流在水平携带床热解管中的运动,设计了水平携带床透明冷态模拟装置.以油雾粒子为示踪粒子,利用PIV技术对示踪粒子在水平携带床管内的速度分布和加速距离进行了实验研究,并对管内气流的速度分布进行了分析.研究结果表明,油雾粒子加入管道后的加速距离约为400mm,在大于400mm的区域内已经较为稳定,速度变化很小;气流在进入管内400~600mm时,处于过渡段的后期或已经进入稳定段.     

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。     

丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究

为了深入揭示丙烷自燃和爆震燃烧机理,基于一台新型快速压缩机试验平台,开展了不同初始压力、当量比条件下丙烷-空气混合气自燃和爆震燃烧的试验研究,并通过瞬态压力和高速相机同步测试方法进行了缸内燃烧过程研究.结果表明:爆震压力振荡强度随着初始压力的提升显著增强,压力振荡的产生与着火方式无绝对关系,其振荡强度主要取决于自燃发生前末端混合气的状态.轻微爆震和弱爆震由末端自燃导致,自燃时未燃混合气区域越大,爆震强度也越高.超级爆震的形成是由于超声速自燃火焰的传播导致压力波在火焰面前方的汇聚,并最终导致爆燃向爆轰模式转变所致,从而形成峰值极高的压力振荡.