气相DDT中过爆轰现象产生条件的实验研究

针对目前国际上关于气相过爆轰产生条件的3种不同观点,利用压力传感器,实验研究了氢氧混合物的爆燃转爆轰(DDT)全过程。获得了比较完整的、能反映气相DDT从爆燃成长为过爆轰再衰减为稳定爆轰的全过程压力变化曲线。分析实验结果表明,氢氧混合物的DDT过程中,过爆轰的产生需要一定条件;在初始压力一定的情况下,氢氧混合物DDT过程的转变时间或距离随氢气浓度的增加,先减小后增大,过爆轰的压力峰值约为稳定爆轰压力的1.5～2倍。     

气相爆轰波沿胞格的动力学机理研究

 建立了一种以子单元分析为基础,研究气相爆轰波沿胞格运动时的动力学机理的新方法。根据该子单元的性质和斜冲击波关系,首先推导了对撞前后前导冲击波沿胞格对称轴的马赫数之比和入射冲击波入射角及胞格几何性质的关系,求解了胞格结构中的三波点对撞问题。然后,采用爆炸波模拟前导冲击波的自持运动过程,求解气相爆轰波沿胞格的动力学过程,理论分析表明,气相爆轰波在胞格起点首先经历一个增长过程,然后才出现衰减。理论分析结果与实验和数值计算结果的比较表明符合得较好。     

空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

非均匀炸药冲击起爆和起爆后的行为

 介绍并分析了Campbell 等人及其他作者研究非均匀炸药冲击起爆和起爆后行为所获得的实验结果,但不涉及其冲击起爆条件。足够强的冲击波进入非均匀炸药后,爆轰将瞬时（指不经过感应时间）且直接（指不经过其他过程,如爆燃）被引发;非均匀炸药起爆后,其中传播的自始至终是一个不断增长的爆轰波,直至发展为正常爆轰,整个过程都是爆轰的增长（新定义）过程。不存在由反应冲击波不断增长并转变为爆轰波的所谓向爆轰的增长。所谓向爆轰的增长,实际上是爆轰的增长（按新定义）的初期;Craig原定义的爆轰的增长,实际上是爆轰的增长（按新定义）的后期;而所谓反应冲击波,实际上是增长中的初期爆轰波。爆轰的增长（按新定义）是所有猛炸药的特性,炸药反应不充分并逐渐趋于充分是爆轰的增长的化学机制。     

爆轰波在弯管内传播过程数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在弯管内的传播过程进行了数值模拟.计算中氢氧混合物化学反应采用了8种组分20个反应方程式.在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法.计算结果表明,在弯管小曲率半径壁面附近,由于膨胀稀疏作用,爆轰波强度减弱,在局部出现前导激波与放热反应区的解藕以及二次起爆现象;在弯管大曲率半径壁面上爆轰波在马赫反射和正规反射之间相互转变,使爆轰波加强.弯管内的爆轰现象与弯管曲率半径有关.     

气相爆轰反应中纳米TiO2颗粒的动态收集及微观生长机制

在气相爆轰制备纳米TiO_2实验中,将设计的可移动纳米粉体收集网台内置于爆轰管内,收集到了爆轰反应过程中生成的纳米TiO_2,首次采用实验的方法探讨了气相爆轰制备纳米颗粒的生长机制。经分析发现,网台上与爆轰管壁收集的粉体为金红石相与锐钛矿相TiO_2,且网台上TiO_2的粒径明显小于管壁上收集的TiO_2粒径。网台到爆轰管尾端的距离对颗粒尺寸影响非常显著,距离越近,纳米TiO_2的粒径越小。结合爆轰波/冲击波在爆轰管中的传播规律,基于实验观察,进一步揭示了气相爆轰合成纳米颗粒的生长机制。     

180°圆弧形钝感炸药的爆轰波传播

 采用贴体坐标下与Level Set方法相结合的爆轰冲击波动力学（DSD）计算方法,研究了180°圆弧形钝感炸药中非理想爆轰波的传播过程。通过数值模拟计算和实验测量的对比分析,得到了180°圆弧形炸药中爆轰波传播的一些规律：圆弧形钝感炸药可以实现定常爆轰,即在极坐标中整个爆轰波以固定角速度转动。这种定常阵面的形状和角速度与圆弧的外半径无关,定常体系依赖于圆弧形炸药的内半径和覆盖圆弧的外壳物质。对描述圆弧形炸药中爆轰波传播规律的经验公式进行了研究,结果表明这些经验公式能够准确描述爆轰波速度的变化,在实验测量和预估方面具有一定的参考价值。     

铝粉-空气混合物爆燃转爆轰过程及爆轰波结构

 在长为32.4 m、内径为0.199 m的大型长直水平管道中,对铝粉-空气两相流的燃烧转爆轰（DDT）过程及爆轰波结构进行了实验研究。对铝粉-空气混合物弱点火条件下DDT过程不同阶段的特征进行了分析,实验结果显示混合物经历了缓慢反应压缩阶段、压缩波加速冲击波形成阶段、冲击反应过渡阶段、冲击反应向过压爆轰过渡阶段和爆轰阶段,得到了混合物各阶段的DDT参数,由此进一步分析了DDT浓度的上、下限。在1.4 m爆轰测试段的4个截面的环向上各均匀安装8个传感器,对爆轰波结果进行测试,并对铝粉-空气混合物爆轰波的单头结构进行了分析。     

凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象分析

凝聚炸药爆轰在边界高声速材料约束下传播时,爆轰波会在约束材料界面上产生复杂的折射现象.本文针对凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象展开理论和数值模拟分析.首先通过建立在爆轰ZND模型上的改进爆轰波极曲线理论给出爆轰波折射类型,然后发展一种求解爆轰反应流动方程的基于特征理论的二阶单元中心型Lagrange计算方法来数值模拟典型的爆轰波折射过程.从改进爆轰波极曲线理论和二阶Lagrange方法数值模拟给出的结果看出,凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射类型有四种:反射冲击波的正规折射、带束缚前驱波的非正规折射、带双Mach反射的非正规折射、带λ波结构的非正规折射.     

激波管内氢-氧混合气体爆轰温度的测量

 以光纤传输光能，用多通道光学高温计，在垂直和平行于爆轰波传播方向上，测量了激波管中氢氧（或含氮）混合气体的爆轰温度。在20~53 kPa压力范围内，进行了六种初始压力氢氧混合气体的爆轰，分别测出横向温度和纵向温度；这两种温度在实验测量的误差范围内是一致的，并与正常爆轰的理论值符合得相当好。     

隔板深度对激波聚焦起爆影响的数值模拟研究

考虑几何结构参数对激波聚焦触发爆轰波的复杂影响,对H2/Air预混气的环形射流激波聚焦起爆现象开展了数值模拟研究,详细分析了不同隔板深度条件下的激波聚焦过程、流场演化特征以及爆轰波参数变化规律。研究结果表明,凹腔内激波聚焦诱导的局部爆炸以及隔板前缘处射流形成"卷吸涡"是引起爆轰波触发的两个重要机制,而隔板深度是影响环形射流激波聚焦起爆性能的关键因素。随着隔板深度的增加,凹腔内激波聚焦的强度逐步增强,回传的能量损失有所减小,进而导致爆燃转爆轰的距离与时间显著缩短。此外,当隔板深度由1 mm逐渐增加至3 mm时,爆轰波自持传播稳定性呈现出先降低后升高的变化趋势,产生这一现象的主要原因是爆轰波强度与三波点运动的相互作用。     

一种准二维柱面爆炸波加载装置的设计与验证

基于竖直爆轰管和径向Hele-Shaw Cell,设计并搭建了一套准二维柱面爆炸波加载装置,可以实现对Hele-Shaw Cell内部材料界面的径向冲击加载.竖直爆轰管内部的预混气体在底部点燃后,形成向上传播的冲击波,冲击波冲破爆轰管开口与Hele-Shaw Cell底板开孔之间的隔膜后,被Hele-Shaw Cell...     

Flame acceleration and the transition to detonation of stoichiometric ethylene/oxygen in microscale tubes

Flame propagation in capillary tubes with smooth circular cross-sections and diameters of 0.5, 1.0, and 2.0 mm are investigated using high-speed photography. Flames were found to propagate and accelerate to detonation speed in stoichiometric ethylene and oxygen mixtures initially at room temperature in all three tube diameters. Ignition occurs at the midpoint along the length of the tube. We observe for the first time transition to detonation in micro-tubes. Detonation was observed with both spark and hot-wire ignition. Tubes with larger diameters take longer to transition to detonation. In fact, transition distance scales with the diameter in our 1.0 and 2.0 mm cases with spark ignition. Flame structures are observed for various stages of the process. Three types of flame propagation modes were observed in the 0.5 mm tube with spark ignition: (a) acceleration to Chapman–Jouguet (CJ) detonation speed followed by constant CJ wave propagation, (b) acceleration to CJ speed, followed by the detonation wave failure, and (c) flame acceleration to a constant speed below the CJ speed of approximately 1600 m/s. The current detonation mechanism observed in capillary tubes is applicable to predetonators for pulsed detonation, micro propulsion devices, safety issues, and addresses fundamental issues raised by recent theoretical and numerical analyses.     

以HMX为基的两种压装高密度炸药的燃烧转爆轰实验研究

 为研究以HMX为基的固体高能炸药的燃烧转爆轰性能,采用同轴电探针和压力传感器测试技术对常用的A、B两种压装高密度高能炸药开展燃烧转爆轰实验,研究装药组分和约束条件对压装高密度炸药燃烧转爆轰性能的影响。实验结果表明：这两种压装高密度炸药难以发生燃烧转爆轰;在强约束条件下（45号钢,内径25.4 mm、外径65 mm、长度600 mm）,A压装炸药（HMX质量分数为95%,密度为1.86 g/cm³）基本实现了燃烧转爆轰,爆轰诱导距离约为545 mm;在相同的实验条件下,A压装炸药比B压装炸药（HMX质量分数为87%,密度为1.84 g/cm³）更易于发生燃烧转爆轰,即A压装炸药的安定性相对较差。     

Combustion wave propagation and detonation initiation in the vicinity of closed-tube end walls

There are not many studies on DDT with no obstacles and the initiation of DDT near the end of a closed tube. Therefore in the present study we experimentally investigate the mechanism of the combustion wave transition to a detonation wave when there are no obstacles. In particular, we show that a local explosion near the tube wall is necessary for the initiation of a detonation. Parameters that we varied are the wall configuration, distance between the ignition point and the wall, and initial filling pressure. The combustion waves and the compression waves are visualized using the Schlieren optical system. From the results, we found it is necessary for the combustion wave to reach four walls so that the detonation could be initiated by the local explosion. In the conditions of the present experiment, we exhibited that the local explosion did not occur in the vicinity of a single wall and four orthogonal walls; instead, the local explosion occurred in a situation with five orthogonal walls. The time of the local explosion and the detonation initiation is 2.6 ± 1.1 and 2.0 ± 0.1 times the characteristic time for the combustion wave to propagate hemispherically from an ignitor and reach the four walls.     

乙炔-氧气混合气体强爆轰参数的理论估算与实验研究

 针对非定常的气相强爆轰过程,建立了气相爆轰的理论计算模型,结合C-J理论和多方气体物态方程,对乙炔-氧气混合气体的强爆轰参数进行了理论估算,并在激波管中开展了化学计量比的乙炔-氧气混合气体的强爆轰实验。对比研究表明：爆速的理论估算值与实验值符合较好,证实了采用C-J理论估算气相强爆轰参数的可行性,计算数据具有一定的参考价值。     

爆轰波在炸药-金属界面上的折射分析

针对爆轰波在炸药-金属界面上折射时由实验获得的金属折射冲击波压力与经典爆轰波极曲线理论预测的压力存在显著差异这一问题, 本文展开了进一步的理论和数值模拟分析研究. 首先通过分析指出经典爆轰波极曲线理论的缺陷, 并对爆轰波极曲线理论进行了改进, 改进爆轰波极曲线理论给出了炸药爆轰波折射类型以及折射冲击作用点处的压力值. 然后发展了一个基于次特征理论来数值求解爆轰反应流动控制方程的二阶中心型Lagrange方法, 并数值模拟了一个典型的炸药爆轰波折射实验. 改进爆轰波极曲线理论和数值模拟分析结果表明, 爆轰波折射类型有三种:反射冲击波的正规折射、带Mach反射的非正规折射、无反射波的正规折射, 并且金属折射冲击波压力值随入射角增大而单调减小.     

Numerical investigation on propagation mechanism of spinning detonation in a circular tube

Spinning detonations propagating in a circular tube were numerically investigated with a one-step irreversible reaction model governed by Arrhenius kinetics. The time evolution of the simulation results was utilized to reveal the propagation mechanism of single-headed spinning detonation. The track angle of soot record on the tube wall was numerically reproduced with various levels of activation energy, and the simulated unique angle was the same as that of the previous reports. The maximum pressure histories of the shock front on the tube wall showed stable and unstable pitch modes for the lower and higher activation energies, respectively. The shock front shapes and the pressure profiles on the tube wall clarified the mechanisms of two modes. The maximum pressure history in the stable pitch remained nearly constant, and the single Mach leg existing on the shock front rotated at a constant speed. The high and low frequency pressure oscillations appeared in the unstable pitch due to the generation and decay of complex Mach interaction on the shock front shape. The high-frequency oscillation was self-induced because the intensity of the transverse wave was changed during propagation in one cycle. The high-frequency behavior was not always the same for each cycle, and therefore the low frequency oscillation was also induced in the pressure history.