铝粉/氢气/空气混合爆轰现象试验研究

混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应,具有复杂性和多样性.爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展,依赖对爆轰现象的深刻认识.文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验,将μm和nm量级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合,在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物.试验中观测到不同种类的混合爆轰波,包括双波面和单波面结构.通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析,阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响.粒径100 nm和1μm时,混合爆轰呈现单波面结构,对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加,铝粉点火释热开始于声速面之前.粒径20μm和40μm铝粉点火较慢,混合爆轰呈现出双波面结构,气相反应释热支持第一道波,而铝粉燃烧支持第二道波.粒径10μm时,测得爆轰波压力曲线是单波峰,峰值压力有大幅提高,但是爆速并没有增加.其本质是两波面距离很近的双波面结构,由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分.混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象,反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性,并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.     

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

旋转爆轰的三维结构和侧向稀疏波的影响

基于带化学反应的三维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对圆环形燃 烧室内的旋转爆轰进行了数值模拟,讨论了旋转爆轰波的三维结构及侧向稀疏波对旋转爆轰波阵面的影响。 数值结果表明,爆轰波能够以旋转方式沿预混气层稳定传播。在侧向稀疏波作用下,爆轰波阵面发生变形。 与理想的C-J爆轰相比,爆轰波强度和爆轰参数都有所下降。     

大型水平爆轰管中悬浮铝粉爆炸过程的实验研究

铝粉的燃烧与爆轰性能是粉尘爆炸领域研究的热点.利用长29.6m,内径199mm,配有40套喷粉扬尘系统的水平爆轰管,在40J电火花点火条件下,实现了悬浮铝粉-空气混和物火焰加速、爆燃、爆轰及其转捩过程,测得了爆炸波传播过程中的压力信号,并且观察到了爆轰波的稳定传播现象.实验结果表明,当铝粉浓度为300 g/m3时,在距离点火端10.15m(长径比L/D=51)处发生了DDT,测得的爆轰波传播过程中管内的最大爆速为1840m/s,最大峰值超压为10.5MPa.铝粉尘爆炸波在爆轰管内的传播过程可分为爆燃段、爆燃转爆轰(DDT)、爆轰增强以及稳态爆轰四个阶段.     

可燃气体中激波与障碍物作用在下游形成爆轰波的数值研究

对平面激波和单个矩形障碍物作用的过程进行了数值模拟,研究了反射产生的上行爆轰波在下游可燃气体中形成爆轰波的过程。数值结果表明,下游爆轰波形成过程主要有2种模式:爆轰波直接绕射和绕射波在上壁面反射,这和已有的实验结果是一致的。通过研究下游爆轰波的形成过程受入射激波马赫数、混合气体的压力和管道尺度的影响,分析了上游爆轰波向下游传播的波动力学过程,讨论了2种形成过程的作用规律和控制因素,阐明了下游爆轰波的形成规律。     

爆轰波碰撞的聚能效应

利用两高爆速导爆索对称布置于药卷两侧,起爆后炸药爆轰波在对称线处汇聚碰撞,当碰撞角度达到一定值时,发生马赫反射,使爆轰压力成倍增加,形成高压、高能量密度区域的聚能效应。本文在爆轰波传播碰撞理论的基础上,通过炸药做功能力和猛度试验验证爆轰波碰撞的聚能效果。做功能力试验结果表明爆轰波碰撞能够增加炸药能量利用率;猛度试验结果表明采用对称起爆技术下的爆轰波碰撞能够改变爆轰波在特定方向上的扩散作用。试验结果与爆轰波入射角的几何关系表明,当高爆速起爆药条与主装药爆速比例在1.15倍以上时,爆轰波碰撞能够达到一定的聚能效果。     

一维粉尘爆轰波结构的数值计算

本文发展了P.Wolanski等人建立的关于一维自持粉尘-空气混合物的爆轰模型,考虑了气、固两相通过击波以后的温度弛豫效应。作者根据文献中所建立的Chapman-Jouguet条件的表述:在定常爆轰的C-J平面上,我们有M=1和dM=0,给出了一种确定自持爆速的有效算法。这一方法具有独立于方程组的积分方式,因而优于至今人们给出的其他同类算法。用改进后的模型和算法,作者对粉尘爆轰波结构的基本特征和参数影响作了初步探讨。文中一些理论结果还与国外同类实验结果进行了对比。     

超音速来流中爆轰波衍射和二次起爆过程研究

预爆管技术被广泛地应用在爆轰波发动机的起爆过程中，但是在超音速来流中基于预爆管技术起始爆轰波的研究并未被广泛地开展。基于此，本文中数值研究了横向超音速来流对半自由空间内爆轰波的衍射和自发二次起爆、及管道内的衍射和壁面反射二次起爆两种现象的影响。数值模拟的控制方程为二维欧拉方程，空间上使用五阶WENO格式进行数值离散，采用带有诱导步的两步链分支化学反应模型。所模拟的爆轰波具有规则的胞格结构，对应于用惰性气体高度稀释过的可爆混合物中形成的爆轰波。结果表明:在半自由空间内，在本文所模拟的几何尺寸下，爆轰波并未成功发生二次起爆现象，但是爆轰波的自持传播距离随着横向超音速来流强度的增强而增加。在核心的三角形流动区域外，波面诱导产生了更多的横波结构；在管道内，横向的超音速来流在逆流侧对出口气流产生了压缩作用，能有效提高波面压力，因此反射后的激波压力也比较高。在同样的几何尺寸下，爆轰波在静止和超音速(Ma=2.0)气流中分别出现了二次起爆失败和成功两种现象，这是由于在超音速来流中化学反应面的褶皱诱导产生了横波结构，横波与管壁以及其他横波之间的碰撞提高了前导激波的强度，并最终促进了爆轰波在超声速流主管道内的成功起始。     

爆轰波拐角传播三维数值模拟

为了研究爆轰波在拐角中的传播特性以及拐角爆轰低压流场现象,用LSDYNA 3D程序对三种常见的拐角装药的爆轰波传播特性进行了数值模拟,清晰显示了爆轰波因拐角处爆轰波传播面积的变化而产生的衰减 增长过程,讨论了侧向三通中爆速的变化情况,并得到了拐角处低压爆轰区的尺寸。     

高能炸药散心爆轰波绕射传播的数值模拟

从曲面爆轰波的Hugoniot 关系式出发,应用燃烧模型模拟散心爆轰波的传播,分析了空间步长不是足够小时,不能同时准确给出爆轰波走时及波阵面物理量的原因。对球壳装药散心爆轰波的长程绕射作了二维计算,应用燃烧模型并细分空间网格。除起爆点附近,计算的爆轰波走时与实验相差均在0 .2s 以内;稳定传播的爆轰波波阵面压力计算值接近pJ。可见,应用燃烧模型模拟散心爆轰波的传播,化学反应区内的空间步长需足够小。最后对Program 燃烧模型不能很好地模拟多维效应作了分析。     

管道内全阻塞障碍物对气相爆轰波传播特性的影响

建立了长2 800 mm、内径为50 mm的圆管内爆轰波传播实验装置,采用光电二极管探测火焰锋面以获得爆轰波的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波的胞格结构。通过在管道不同位置设置阻塞率为1的聚丙烯薄膜,研究不同初始压力下不同氩气稀释浓度的C₂H₂+2.5O₂+nAr预混气体爆轰波在通过全阻塞障碍物前后传播速度及胞格结构的变化。结果表明,气相爆轰波在达到稳态爆轰后,在通过全阻塞薄膜障碍物的过程中会产生2种不同的传播形式:速度亏损和爆轰失效。气相爆轰波穿过不同区域的传播过程可以分为3个阶段:稳态传播阶段、速度亏损阶段或爆轰失效阶段、过驱爆轰阶段。     

Oxyhydrogen combustion and detonation driven shock tube

The performance of combustion driver ignited by multi-spark plugs distributed along axial direction has been analysed and tested. An improved ignition method with three circumferential equidistributed ignitors at main diaphragm has been presented, by which the produced incident shock waves have higher repeatability, and better steadiness in the pressure, temperature and velocity fields of flow behind the incidence shock, and thus meets the requirements of aerodynamic experiment. The attachment of a damping section at the end of the driver can eliminate the high reflection pressure produced by detonation wave, and the backward detonation driver can be employed to generate high enthalpy and high density test flow. The incident shock wave produced by this method is well repeated and with weak attenuation. The reflection wave caused by the contracted section at the main diaphragm will weaken the unfavorable effect of rarefaction wave behind the detonation wave, which indicates that the forward detonation driver can be applied in the practice. For incident shock wave of identical strength, the initial pressure of the forward detonation driver is about 1 order of magnitude lower than that of backward detonation. The project supported by State Science and Technology Committee, National Natural Foundation of Science of China (19082012), Chinese Academy of Sciences and Project of National High Technology of China. In memory of academician Kuo Yonghuai's 90th anniversary.     

Fundamentals of rotating detonations

A rotating detonation propagating at nearly Chapman–Jouguet velocity is numerically stabilized on a two-dimensional simple chemistry flow model. Under purely axial injection of a combustible mixture from the head end of a toroidal section of coaxial cylinders, the rotating detonation is proven to give no average angular momentum at any cross section, giving an axial flow. The detonation wavelet connected with an oblique shock wave ensuing to the downstream has a feature of unconfined detonation, causing a deficit in its propagation velocity. Due to Kelvin–Helmholtz instability existing on the interface of an injected combustible, unburnt gas pockets are formed to enter the junction between the detonation and oblique shock waves, generating strong explosions propagating to both directions. Calculated specific impulse is as high as 4,700 s.      

氢氧燃烧及爆轰驱动激波管

分析并观察了沿驱动段轴向分布多火塞燃烧驱动段的性能．提出主膜处同一管截面均匀分布三火花塞引燃的点火方法．用这种点火方法驱动产生的入射激波强度重复性较高,激波后气流速度、温度和压力的定常性亦大大改善,可满足气动试验实际要求．提出在驱动段尾端串接卸爆段来消除爆轰波反射高压,从而可使反向爆轰驱动段用来产生高焓高密度试验气流．这种反向爆轰驱动产生的入射激波重复性高,激波衰减弱．在主膜处的收缩段产生的反射波可缓解爆轰波后跟随的稀疏波的不利影响,从而使前向爆轰驱动具有实用性．在产生的入射激波强度相同条件下,前向爆轰驱动所需的爆轰驱动段可爆混合气初始压力可较反向爆轰低近一个量级．     

Detonation Wave Propagation in Rotational Gas Flows

This paper studies the propagation of detonation and shock waves in vortex gas flows, in which the initial pressure, density, and velocity are generally functions of the coordinate — the distance from the symmetry axis. Rotational axisymmetric flow having a transverse velocity component in addition to a nonuniform longitudinal velocity is considered. The possibility of propagation of Chapman–Jouguet detonation waves in rotating flows is analyzed. A necessary conditions for the existence of a Chapman–Jouguet wave is obtained.     

Periodic oscillation and fine structure of wedge-induced oblique detonation waves

An oblique detonation wave for a Mach 7 inlet flow over a long enough wedge of 30 turning angle is simulated numerically using Euler equation and one-step rection model.The fifth-order WENO scheme is adopted to capture the shock wave.The numerical results show that with the compression of the wedge wall the detonation wave front structure is divided into three sections:the ZND model-like strcuture,single-sided triple point structure and dual-headed triple point strucuture.The first structure is the smooth straight,and the second has the characteristic of the triple points propagating dowanstream only with the same velocity,while the dual-headed triple point structure is very complicated.The detonation waves facing upstream and downstream propagate with different velocities,in which the periodic collisions of the triple points cause the oscillation of the detonation wave front.This oscillation process has temporal and spatial periodicity.In addition,the triple point trace are recorded to obtain different cell structures in three sections.     

带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟

基于三波理论和Whitham方法对带隔板装药爆轰波相互作用后发生的正规反射和非正规反射进行了理论分析,给出了爆轰波发生马赫反射时临界入射角和马赫杆增长角等参数的变化规律,提出了马赫杆高度的计算模型。基于凝聚炸药爆轰Jones-Wilkins-Lee(JWL)模型和冲击起爆的Lee-Tarver模型,利用有限元计算软件对带隔板装药爆轰波的传播过程进行了数值模拟。结果表明,发生马赫反射后,随着爆轰波的传播,马赫杆的高度不断增加。数值模拟结果与理论计算结果吻合较好,说明本文中采用的理论模型和数值模拟方法能够较准确地描述带隔板装药爆轰波马赫反射的传播过程。     

氢燃料缓燃向爆震转捩过程中波与火焰的匹配特性

为了解氢燃料爆震过程中压力波与火焰之间相互匹配的特性,在60mm60mm2000mm 方 爆震管内,用氢气和空气混合物进行了单爆震性能研究。在爆震转捩区内布置压力传感器与离子探针,用来 监控压力波和火焰的信号,同时利用高速摄影仪集中拍摄转捩区域。根据压力波和火焰面在爆震管不同时刻 的强度特性、速度特性及位置特性来分析爆震过程中波与火焰匹配的规律。结果表明:压力波和火焰的强度 呈现为相互正反馈匹配性质;缓燃向爆震转捩(DDT)过程中,压力波和火焰的速度表现为相互交替的变化过 程,且缓燃阶段中火焰速度的增幅大于压力波速度的增幅;当火焰面追赶上激波时,产生过爆,火焰面会临时 位于激波前面;在过爆衰减为正常爆震波的过程中,激波在火焰前面。