阻爆器扩张腔中心缓冲隔离板对气相爆轰波的衰减作用

阻火器和阻爆器是工业上常用的重要安全设备。爆轰火焰的猝熄要比爆燃火焰猝熄困难得多 ,因为这不仅取决于阻火芯而且与阻爆器结构有直接关系。在阻爆器扩张腔中部设置球面形缓冲隔离板 ,实验研究了在不同爆轰火焰速度时 ,在缓冲隔离板作用下 ,入射爆轰波压力衰减情况 ,以及对爆轰火焰猝熄所产生的有利影响 ,给出了实验结果。     

一种爆炸二极管机理研究及熄爆通道尺寸对其性能的影响

依据爆炸逻辑元件的工作原理设计了一种爆炸二极管。实验研究了元件内部结构,确定了关键参数为熄爆通道的长度、隔爆序列。隔爆序列内采用激发装置、一次PETN装药、两次PETN装药不同密度分层装药序列。在A、B端连接导爆索,改变熄爆通道尺寸, 确定分层装药参数,进行传爆可靠性、隔爆安全性实验。结果表明:爆轰信号由A端正向输入时,可以顺利通过10~35 mm的熄爆通道并且可靠引爆B端导爆索,满足可靠性功能;爆轰信号由B端反向输入,在熄爆通道长度为15~35 mm时,爆轰信号在通过隔爆序列、熄爆通道时被可靠阻断无法引爆A端导爆索,满足隔爆安全性功能。最终元件选取长度为15~35 mm的熄爆通道, 确定不同密度分层装药参数作为设计标准。应用于爆破网络设计中,使爆轰波信号在网络中单向传播,增加了网络的安全性。     

HMX粒度与爆轰波传播性能的关系研究

采用楔形装药,用临界截面厚度来表征爆轰波传播特性,分别对两种密度条件下HMX粒度对其自身和以HMX为主体的混合炸药HMX/F2641（wHMX/wF2641=95∶5）爆轰波传播性能的影响作了实验研究。结果表明:HMX粒度对爆轰波传播特性有显著的影响,随着HMX粒度的减小,临界截面厚度变小,即爆轰波传播性能增强;同一HMX粒度下, HMX/F2641爆轰波传播性能优于HMX;装药密度的增加有利于爆轰波传递。     

爆轰波在扩张管内临界传播特性的研究

由于稀疏波的作用，爆轰波在变截面扩张管内传播时会发生衰减。临界条件下，爆轰波恰能在扩张管内维持自持传播的特性，称为爆轰波的临界传播特性。针对Ｃ＿２Ｈ＿２－Ｏ＿２－Ａｒ不同的爆轰气体成份，在不同扩张半角的方形扩张管内，作者研究了临界初压ｐ＿（ｃｒ）、胞格尺寸Ｓ与扩张半角的关系，用Ｗｈｉｔｈａｍ理论与重点火准则分析了爆轰波在扩张管的传播，得到胞格尺寸的计算值与实验值基本相符。     

流动系统中爆轰波传播特性的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气/空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量 比的氢气/空气预混气体的矩形爆轰流场中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,讨论了均匀来流对爆轰波传 播的影响。数值结果表明,在均匀来流的影响下,上游方向上的燃烧强度大于C-J爆速,下游方向上的燃烧强 度小于C-J爆速;上游方向传播的爆轰波的阵面压力大于下游方向传播的爆轰波的阵面压力。所以,经典的 C-J爆轰理论并不适用于流动系统中爆轰波传播特性的研究。     

多孔钢板对气相爆轰波传播影响的实验研究

本实验旨在研究气相爆轰波在衬有多孔钢板的管道中传播的现象。先是在光滑管壁的管道中产生稳定的具 胞格结构的爆轰波,然后让它通过专门设计的管壁上衬有多孔钢板的阻尼段。利用压力传感器测量了氢氧混合气体爆轰波在阻尼段中的传播速度和爆压。发现爆轰波在通过阻尼段时有先衰减后又加强的现象。证实了多孔钢板等一类吸收材料既有吸收横波削弱爆轰波的作用,又有加强湍流使爆轰波得以恢复的作用。文中对吸收材料的粗糙表面产生自发转换形成新的横波的机制进行了探讨。     

以DSD理论和LS方法为基础的程序燃烧法

给出了二维弯曲爆轰波后产物流场计算方法。爆轰波阵面传播规律满足Detonation Shock Dynamics (DSD)理论并用level set (LS)方法计算,波阵面传播规律与波后流场的耦合通过程序燃烧法实现,反应进程变量可作为LS函数的函数给出。爆轰波从刚性细管道向粗管道传播产生绕射的二维计算结果表明,化学反应速率不影响波后流场分布,只影响反应区结构。此方法可用于钝感炸药的驱动计算问题。     

爆轰波在阻尼管道中声吸收的实验研究

实验旨在研究气相爆轰波在阻尼管道 (管壁上衬有吸收材料 )中传播时的衰减现象。先是在光滑管壁的管道中产生稳定的具有胞格结构的爆轰波 ,然后使其通过专门设计的管壁上衬有吸收材料 (金属丝网或不锈钢纤维 )的阻尼段。利用高速摄影、压力传感器和烟迹技术等手段 ,记录和测试了阻尼段对几种混合气体爆轰波的传播速度、爆压及胞格结构产生的影响。实验分别在方管和圆管中进行。发现在某些条件下爆轰波可以被衰减成强爆燃。     

高浓度氩气稀释气体爆轰波临界管径和临界间距关系

建立圆管及环形管道系统研究临近极限下爆轰波在管道内传播失效机理。选用C₂H₂+2.5O₂+70%Ar气体,采用光纤探针测量爆轰波在管道内传播速度,用烟迹法记录管道内爆轰波胞格结构。结果表明:初始压力远大于爆轰极限压力时,爆轰波在管道内以稳定速度传播;随着初始压力的减小,爆轰波速度逐渐降低;当初始压力一定时,爆轰波速度随着管道尺寸的减小而逐渐减小;当初始压力达到临界压力时,爆轰波在进入到管道内后其速度会逐渐衰减直至爆轰波完全失效。对于不同几何尺寸的圆管与环管,通过引入无量纲参数d/λ及w /λ(d为圆管管径,w为环管间距,λ为爆轰胞格尺寸)得出,爆轰波在管道内传播的临界圆管直径为环形间距的2倍,与理论模型结果相吻合,验证了稳态气体基于爆轰波波面曲率的失效机理。     

气相爆轰波传播过程中的自点火效应

基于基元反应模型和单步反应模型,对直管道中H₂-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间,并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明,胞格宽度与点火延迟时间成正比;爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知,爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配;当二者相匹配时,经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体,在短时间内实现了自点火,同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进,即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。     

环缝宽度对旋转爆震发动机工作特性的影响

为研究环缝宽度对旋转爆震发动机（rotating detonation engine, RDE）工作特性的影响，在非预混RDE中进行实验，同时采用高频压力传感器、离子探针和高速摄影等测量设备，在同一入口质量流率的条件下，改变空气进气环缝宽度和燃烧室环缝宽度。获得了单波、双波、四波对撞及混合传播模态；当燃烧室环缝宽6 mm时，增加空气进气环缝宽度，爆震波由四波对撞转变为同向双波，最终以单波形式传播；而燃烧室环缝宽10或15 mm时，空气进气环缝宽度对爆震波传播模态的影响较小；此外，四波对撞模态下，爆震波压力峰值和离子信号峰值低于单波和双波模态时的值。     

缸内激波对锥顶型燃烧室的活塞破坏机理

以二维数值模拟为基础,研究了锥顶型燃烧室内的冲击波发展的震荡过程,得到作用于活塞不同位置处的超压分布。模拟结果表明:由于燃烧室结构的独特性,导致冲击波能在特定区域进行汇聚,致使该区域超压明显高于其他区域。将该模拟结果与实际破坏失效的活塞进行对比,发现冲击波汇聚区域往往就是活塞被破坏的地方。数值模拟结果与实际破坏结果吻合很好。这为设计燃烧室形状以避免冲击波对活塞造成破坏提供了理论基础。     

Numerical investigation of shock wave reflections near the head ends of rotating detonation engines

The influence of various chamber geometries on shock wave reflections near the head end of rotating detonation engines was investigated. A hydrogen/air one-step chemical reaction model was used. The results demonstrated that the variation in flow field along the radial direction was not obvious when the chamber width was small, but became progressively more obvious as the chamber width increased. The thrust increased linearly, and the detonation height and the fuel-based gross specific impulse were almost constant as the chamber width increased. Near the head end, shock waves reflected repeatedly between the inner and outer walls. Both regular and Mach reflections were found near the head end. The length of the Mach stem increased as the chamber length increased. When the chamber width, chamber length and injection parameters were the same, the larger inner radius resulted in more shock wave reflections between the inner and outer walls. The greater the ratio of the chamber width to the inner radius, the weaker the shock wave reflection near the head end. The detonation height on the outer wall and the thrust, both increased correspondingly, while the specific impulse was almost constant as the inner radius of the chamber increased. The numerical shock wave reflection phenomena coincided qualitatively with the experimental results.     

Behavior of detonation propagation in mixtures with concentration gradients

Behavior of detonation waves in mixtures with concentration gradients normal to the propagation direction was studied experimentally. Mixtures with various concentration gradients were formed by sliding the separation plate which divides a detonation chamber from a diffusion chamber in which a diffusion gas was initially introduced. A stoichiometric hydrogen–oxygen mixture was charged in the detonation chamber, while oxygen or nitrogen was filled in the diffusion gas chamber. Temporal concentration measurement was conducted by the infrared absorption method using ethane as alternate of oxygen. Smoked foil records show a deformation of regular diamond cells to parallelogram ones, which well corresponds to local mixture concentration. Schlieren photographs reveal the tilted wave front whose angle is consistent with the deflection angle of the detonation front obtained from trajectories of the triple point. The local deflection angle increases with increase in local concentration gradient. Calculation of wave trajectory based on the ray tracing theory predicts formation of the tilted wave front from an initial planar front.      

爆轰产物压力势能缓释方法研究

为扩大脉冲爆轰技术的应用领域 ,抑制其振动、噪声等不利因素 ,提高能源转换效率的可能性 ,本文通过实验和数值计算 ,研究了单次爆轰产物通过孔盘将压力势能缓慢释放到相邻腔体的现象。实验在长 2m、内径 40mm的爆轰管中进行 ,数值模拟采用自适应的有限体积方法和有限速率化学反应模型。实验和数值模拟分析的结果均表明 ,在爆轰管与相邻腔体之间放置孔径适当的隔离孔盘 ,可以使爆轰产物的压力势能逐渐地传递到腔体内 ,造成随时间逐渐上升的压力分布。     

爆震室壁面条件对脉冲爆震发动机爆震性能的影响

在爆震室内快速形成稳定传播的爆轰波是脉冲爆震发动机的关键．本文利用有限速率化学反应模型,考虑粘性、热对流,基于N-S方程对氢气与空气/氧气为反应混合物的爆震发动机爆震室内流场进行计算．从流场压力、速度、涡量、湍流动能等方面研究爆震室壁面条件对燃烧爆轰性能的影响,分析流场爆轰波压力与流场湍动能的关系,讨论可燃气体燃烧转爆轰的机理．结果表明：爆震室内燃烧爆轰机理受到化学反应能量释放、壁面摩擦效应、壁面与外界热交换的影响．在文中讨论的范围内,相比于半圆形和三角形的爆震室装置,矩形的爆震室增强装置能在更短的时间内得到较高的爆轰波压力和湍动能峰值．壁面粗糙层高度（粗糙度）影响爆震室的燃烧爆轰性质．当壁面粗糙度为0.15mm时,粗糙度对爆轰的激励作用大于抑制作用,能较快形成稳定的爆轰波,且推力为35.5N;随着壁面对流换热系数的增大,爆震室壁面的散热加剧．当壁面对流换热系数大于临界值2.6W/(m2·K)时,爆震室内不能形成稳定的爆震波．     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率，近年来引起人们的关注。其中，点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的，本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法，并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明，燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显，它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法，本文对燃烧室初始流速为360 m/s，喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰，得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s，频率为5 347.6 Hz。此外，燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标，文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

爆轰波在突扩通道中传播的数值模拟研究

建立了描述甲烷 空气混合物爆轰波传播的单步化学反应爆轰模型 ,通过数值模拟研究了在二维突扩通道中爆轰波的强度变化和各种波行为。结果表明 :爆轰波在进入突扩通道初始阶段的衍射使爆轰波局部向爆燃转变 ;爆炸波在壁面发生马赫反射形成的高温高压区域将直接诱导自持爆轰波的重新形成。     

Distinctive features of galloping detonation in a supersonic combustible-mixture flow under an inert gas layer

The problem of detonation initiation in a supersonic flow of a stoichiometric propane-air mixture occupying partially or completely the cross-section of a plane channel is considered. The initiation in the flow is produced by a step or a wall completely cutting off the flow. The study is conducted within the framework of one-stage combustion kinetics. A numerical method based on the Godunov scheme is employed. The critical conditions for detonation formation are determined in terms of the oncoming flow velocity. A previously unknown mechanism of detonation propagation is found; it is related with the presence of the combustible mixture in the wall layer under an inert gas layer. It is due to the formation of a complicated wave structure of the flow characterized by the penetration of a shock wave formed in the inert gas layer into a combustible mixture layer ahead of the detonation wave with the result that the latter layer is heated and ignited. The process as a whole is periodic in nature, as distinct from the conventional cellular detonation in a homogeneous fluid. Many problems arise in connection with the use of detonation in engines and other power plants. The most important among them are detonation excitation and stabilization in combustion chambers. The detonation initiation within a layer under conditions of unbounded space and a fluid at rest was experimentally investigated in [1]. In the case of a combustion chamber bounded in the transverse direction, some new effects accompanying the detonation might be expected.