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。     

爆震波形成过程试验研究

对三种不同结构(小环形、大环形、圆形)的爆震室进行不同参数的爆震试验,研究爆震波的形成过程。发现小环形爆震室在可燃混合物当量比φ≥1.1、大环形爆震室和圆形爆震室均在当量比φ=1.2时,无论有无孔板,爆震波都会在爆震室封闭端附近形成。预燃室环形聚心火焰点火方式,集预燃室两步起爆法、环形火焰聚心和激波聚焦原理、弯管加速火焰法于一体的点火起爆方式,加速了爆震波的形成过程。     

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。     

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。     

新型激波聚焦脉冲爆震模型连续起爆探究

针对俄罗斯Levin等人提出的2-Stage PDE模型中射流径向入射导致连续爆震工作无法顺利完成的问题,计算模型基于Fluent软件进行了仿真实验,通过改变环形射流入射方向的手段实现有效且快速地填充。在模型结构上,通过采用高频低能耗火花塞预点火、渐缩通道、环形窄缝和环形弯面,强化形成环形爆震波入射,并经衍射后实现激波聚焦起爆。凹面腔结构实现了循环时间为9.1 ms,填充时间为7.6 ms,工作频率为109 Hz快速有效填充和高频起爆。     

基于WENO格式的爆震波传播过程一维数值模拟

用时间算子分裂法来分离普通流体流动和化学反应方程,采用有限体积加权基本无振荡格式构建了带有复杂状态方程的欧拉方程组;提出一种新的熵修正方法EF4,并结合Roe平均格式来解决激波的不稳定问题和间断问题。通过对带有详细化学反应的爆震波传播过程进行了一维数值模拟,获得的爆震波稳定压力以及爆震波传播速度都和理论结果一致,结果表明,WENO有限体积格式可以很好地模拟爆震波传播过程。     

两级脉冲爆震发动机防止压力和温度反传研究

为解决两级脉冲爆震发动机中压力和温度反传的问题,提出了2种不同结构形式的射流喷管:倒板结构射流喷管和倒台结构射流喷管。以H_2/O_2/N_2混合气为介质,对不同倒板或倒台层数情况下激波聚焦起爆爆震过程进行了数值模拟,并揭示其影响规律。结果表明:倒板层数为3层、4层时成功起爆爆震,倒台层数为3层、4层、5层时成功起爆爆震;倒板或倒台层数为4层时激波聚焦起爆效果最好,且在降低反传压力和温度方面效果相对较好;实际上倒板或倒台对防止压力和温度反传的作用较为有限。     

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。     

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。     

高压氢气射流火焰的数值模拟

高压氢气泄漏并发生点火是氢火灾事故的核心场景,也是氢安全研究的基本内容。该文对高压氢气泄漏后立即点火、延迟点火以及有防护墙存在时的延时点火3种场景进行了数值模拟仿真,分析了点火时间、防护墙对温度和超压的影响。结果表明:氢气泄漏后在喷口处立即点燃会形成射流火焰,该过程不会产生明显的超压;泄漏一段时间后再进行点火,将由点火中心产生压力波并向外传播,并随着与点火中心距离的增大,最大超压降低,燃烧稳定后形成的射流火焰与立即点火时基本一致;防护墙有效削弱了压力波及火焰向墙后方的传播,墙后方的超压及温度明显降低。因此,合理设置防护墙可以缩小危险范围,缩短安全距离。     

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.     

尾喷管对2-stage PDE性能影响的数值模拟

为研究尾喷管长度和扩张角度对两级脉冲爆震发动机凹面腔内激波会聚起爆及推力性能的影响,选取了一系列不同尾喷管长度和扩张角度的2-stage PDE模型进行数值模拟.单次爆震结果表明,尾喷管长度和扩张角度对2-stage PDE凹面腔中的射流碰撞和起爆过程影响很小.凹面腔的壁面压力和单位面积冲量随尾喷管长度增大而增加,且在较长形式的尾喷管中会出现多次激波相交和会聚,但是频率随尾喷管长度增大而减小.尾喷管壁面压力和冲量的轴向分量随扩张角度增大,凹面腔内的激波会聚和起爆频率不变.考虑凹面腔和尾喷管的综合作用,带有45°扩张角的尾喷管的2-stage PDE性能最好.     

圆管内泡沫陶瓷对瓦斯爆炸的抑制特性

为有效抑制瓦斯爆炸冲击波及火焰传播,构建大尺度圆形管道实验装置,对瓦斯预混爆炸过程中泡沫陶瓷对冲击波和火焰传播抑制特性进行研究.结果表明：泡沫陶瓷能够吸收瓦斯爆炸冲击波能量,对火焰和冲击波传播抑制效果明显,泡沫陶瓷挡板厚度及设置层数、位置是典型影响因素.挡板设置位置距点火端距离十分重要,其临界值应为起爆期间火焰传播速度达到最大值位置以内,进而实现对瓦斯爆炸传播与发展的有效抑制.对比双层和单层挡板布置的实验结果,双层布置时冲击波最大超压下降更快.但是,挡板厚度的影响并不明显.设置厚度为50 mm或30 mm的挡板时,测得最大超压的沿程衰减趋势一致,大小也很相近.     

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。     

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。     

爆轰冲击波在有机隔板中衰减模型的研究

运用冲击动力学理论建立了爆轰冲击波在有机隔板中衰减规律的数学模型,利用该模型通过测试试验对爆轰冲击波压力在有机隔板中衰减规律进行数值拟合,结果表明爆轰冲击波压力在有机隔板中衰减呈指数关系,并给出了衰减关系数学模型及衰减参数．     

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。