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.      

半封闭空间瓦斯爆炸冲击波传播距离研究

为揭示瓦斯在强爆和弱爆情况下冲击波超压变化规律,利用一维爆炸物理模型和爆炸理论,构建了冲击波超压随距离变化的数学模型,并用一端开口的半封闭爆炸试验装置,在保持瓦斯浓度和其他条件不变,仅改变点火能量大小实现了瓦斯爆燃和爆轰,验证理论求解.结果表明:半封闭受限空间内,爆燃情况下火焰传播速度要远小于爆轰条件下火焰传播速度,爆燃火焰传播速度为亚音速,爆轰为超音速;爆轰与爆燃的冲击波超压的理论解都小于实验值,但整个传播变化趋势基本一致;极强冲击波最大超压值与传播距离成反比,极弱冲击波最大超压值与传播距离的平方根成反比;爆燃和爆轰冲击波在燃烧区内的传播变化趋势与理论解基本吻合.研究结果为防治瓦斯爆炸破坏及爆炸事故灾害勘验提供了技术和理论支持.     

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。     

塑料导爆管内腔气体介质对传爆可靠性的影响

利用变色塑料导爆管、氮气、氧气和真空系统对管腔内介质影响导爆管传爆可靠性做了研究。氧气有利于传爆，氮气不利于传爆。当导爆管内腔接近真空状态时（－0．0987MPa以下），导爆管仍可传爆，证明导爆管可以作为航天火工品使用。进一步证实导爆管传爆的必要条件是超前冲击波、管道效应以及支持爆轰波波阵面继续传播的足够能量，而导爆和内腔气体介质不是导爆管传爆的必要条件。     

气相规则胞格爆轰波起爆与传播统一框架的几个关键基础问题研究

本文综述并分析了气相规则胞格爆轰在起爆与传播方面的研究进展,结合高温气体动力学国家重点实验室在爆轰物理方面的研究工作,进一步研究了气相规则胞格爆轰波起爆的几个关键基础问题．这些基础问题由一个机制：非线性波传播／化学反应过程相互作用机制;两个基本过程：热点起爆和化学反应带加速过程;三个关键物理状态：平衡传播状态、临界起爆状态和稳定胞格尺度等六个关键要素组成,是统一框架的主要基本元素．通过六个典型的物理算例,本文研究了这些关键物理要素的内在机制、表现特征及其客观存在性．应用气相规则爆轰起爆与传播的统一框架,我们成功地解释了目前已有的经典爆轰理论、应用CFD技术获得的多维爆轰波计算结果和实验研究观察到的胞格爆轰图像的合理性及其依据的关键物理要素．     

连续点火诱导爆轰的数值研究

使用带基元化学反应的多组分Navier-Stokes方程,数值研究了多点连续点火过程诱导氢气-空气预混合气体的爆轰过程.计算结果表明,点火时序的变化可以显著影响预混气的爆轰引发特性.适当的加速连续点火过程可以诱导爆轰的形成,且随着点火过程的加速,爆轰的形成时间和距离均有所缩短;减速或过快的连续点火过程则不能诱导爆轰的形成.     

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。     

丙烷/空气低温等离子体点火起爆数值研究

为研究脉冲爆震发动机低温等离子体点火起爆机理, 充分考虑丙烷/空气详细化学反应动力学机理, 将低温等离子体点火器放电区等效为高温高压热核, 利用FLUENT 软件内置的层流有限速率化学反应模型, 对脉冲爆震发动机低温等离子体点火后由缓燃转爆震(DDT)的过程进行模拟, 并对该过程进行详细分析。实验结果表明, 将低温等离子体点火器简化成一定压力和温度的火核进行数值模拟是可行的, 压力接近常压, 壁面温度为常温更合理。数值模拟的爆震波发展时间小于实验结果, 考虑到实验时有点火延迟和测量误差, 可以认为实验值符合数值模拟时火核为常压、壁温为常温的计算结果。     

煤粉对旋转摩擦火花引燃甲烷的影响

参照GB13813搭建了旋转摩擦实验装置，研究摩擦火花引燃甲烷、空气与煤粉混合物的规律.通过高速摄像机和红外热像仪，确定A3钢和钛金属棒在连续摩擦过程中引燃甲烷与空气混合物的是摩擦撞击产生的钛金属火花，而非摩擦热接触面.分别选取三种粒径的褐煤、烟煤和无烟煤粉尘样品，测试煤粉对旋转摩擦火花引燃甲烷与空气混合物的影响规律，发现加入煤粉后甲烷空气混合物着火延迟时间较长.对于同类煤粉，粒径越小爆炸延迟时间越长.对于同一粒径的三种煤粉，着火延迟时间由长到短依次为褐煤、无烟煤、烟煤，其规律与煤粉含水量的多少一致；但未发现和煤挥发分有明显关系.     

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。     

用爆炸波起爆癸烷云雾的两种模式

用垂直激波管研究了400μm癸烷液滴与空气混合物的爆炸波起爆。每种混合物有两个极限起爆能值,即高值Ecu,和低值Ecl。当起爆能的值高于Ecu时,观察到100%发生爆轰;而当其低于Ecl时,就不会发生爆轰。有趣的是,当起爆能水平在Ecu和Ecl之间时观察到对应于不同的起爆能水平有不同的起爆行为。如实验结果所表明的,爆轰的激发不仅是由于直接起爆,而且也由于“爆燃”到爆轰的转变。     

煤粉锅炉高温空气无油点火研究

在一维平面层流煤粉气流着火的数学模型的基础上,发展了一种更加逼近工程实际的一维平面紊流煤粉气流着火模型.在该数学模型的指导下,设计了高温空气煤粉点火试验台.通过大量的空气加热试验和煤粉气流着火试验,对模型进行了实验验证.结果显示,理论模型的计算结果与实验相符合,验证了高温空气煤粉点火技术的可行性.     

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.     

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。     

水平粉尘爆轰管上的扬尘方法研究

为新建成的内径158mm、长23m水平粉尘爆轰管发展了一种新的扬尘技术,并在此爆轰管上进行了弱点火条件下微细铝粉——空气混合物的爆轰波实验研究。结果表明,这种扬尘方法结构简单、操作方便、可靠性好、均匀性与悬浮时间等扬尘特性也满足实验要求。     

气相爆轰波在衬多孔钢板管道中的衰减和恢复

对气相爆轰波在衬有多孔钢板管道中的传播进行了实验研究. 结果表明, 多孔钢板对气相爆轰波的传播有衰减作用;同时它所产生的紊流作用又能使已衰减的爆轰波在一定程度上得到恢复.     

瓦斯爆炸气相爆轰参数的数值计算与分析

结合所建立的掘进巷道瓦斯爆炸的物理模型，当已知瓦斯聚积位置、体积和浓度时，利用Hugoniot方程和Rayleigh方程推导出了瓦斯爆轰参数的公式。同时，给出了在瓦斯强爆轰、弱爆轰和瞬时爆轰三种情形下的气相爆轰参数的表达式。利用爆轰波理论和流体动力学理论对算例进行验证，并且对结果进行了讨论和分析后认为，爆轰产物组分与温度和压力密切相关，在对爆轰波参数进行精确计算时，需要考虑爆轰温度和压力条件。     

利用激波管实验装置研究丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期

利用双膜化学激波管实验装置反射激波方法测量了丙烯/氧气/氮气混合气在温度范围为1650~1900 K、压力为0.1 MPa下的着火滞燃期.通过对理想激波管内流动状态分析,给出了合适的着火滞燃期定义.实验结果表明:随着初始温度的增加,丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期缩短,着火滞燃期的对数与温度的倒数成正比,入射激波强度与着火滞燃期的对数成反比;高温条件下,混合气的着火滞燃期随着初始压力的增加而增加,随浓度的增加而缩短;利用多元线性回归方法拟合了C3H6着火滞燃期的Arrhenius型关系式,计算结果与文献中的实验数据具有很好的吻合性.     

Experimental and kinetic study on ignition delay times of methane/hydrogen/oxygen/nitrogen mixtures by shock tube

Ignition delay times of methane/hydrogen/oxygen/nitrogen mixtures with hydrogen amount-of-substance fractions ranging from 0–20% were measured in a shock tube facility.The ambient temperature varied from 1422 to 1877 K and the pressure was maintained at 0.4 MPa behind the reflected shock wave.The experiments were conducted at an equivalence ratio of 2.0.The fuel mixtures were diluted with nitrogen gas so that the nitrogen amount-of-substance fraction was 95%.The experimental ignition delay time of the CH4/H2 mixture decreased as the hydrogen amount-of-substance fraction increased.The enhancement of ignition by hydrogen addition was weak when the ambient temperature was >1750 K,and strong when the temperature was <1725 K.The ignition delay time of 20% H2/80% CH4 was only one-third that of 100% CH4 at 1500 K.A modified model based on GRI-Mech 3.0 was proposed and used to calculate the ignition delay times of test mixtures.The calculated results agreed with the experimental ignition delay times.Normalized sensitivity analysis showed that HO·+H2 →H·+H2O was the main reaction for the formation of the H· at 1400 K.As the hydrogen amount-of-substance fraction increased,chain branching was enhanced through the reaction H·+O2→O·+HO·,and this reduced the ignition delay time.At 1800 K,the methyl radical (H3C·) became the key species that influenced the ignition of the CH4/H2/O2/N2 mixtures,and sensitivity coefficients of the chain termination reaction 2H3C·(+M)→C2H6(+M),and chain propagation reaction HO2+H3C·→HO·+CH3O decreased,which reduced the influence of hydrogen addition on the ignition of the CH4/H2 mixtures.     

Additive Runge-Kutta methods for H2/O2/Ar detonation with a detailed elementary chemical reaction model

We report here the additive Runge-Kutta methods for computing reactive Euler equations with a stiff source term, and in particular, their applications in gaseous detonation simulations. The source term in gaseous detonation is stiff due to the presence of wide range of time scales during thermal-chemical non-equilibrium reactive processes and some of these time scales are much smaller than that of hydrodynamic flow. The high order, L-stable, additive Runge-Kutta methods proposed in this paper resolved the stiff source term into the stiff part and non-stiff part, in which the stiff part was solved implicitly while the non-stiff part was handled explicitly. The proposed method was successfully applied to simulating the gaseous detonation in a stoichiometric H2/O2 /Ar mixture based on a detailed elementary chemical reaction model comprised of 9 species and 19 elementary reactions. The results showed that the stiffly accurate additive Runge-Kutta methods can capture the discontinuity well, and describe the detonation complex wave configurations accurately such as the triple wave structure and cellular pattern.