激波聚焦诱导点火和爆轰的数值研究

以二维轴对称多组分Euler方程为基础,采用非正交结构化网格和改进的波传播算法,模拟了激波在抛物形反射壁面聚焦反射诱导点火和爆轰的过程,描述了其流场形态。讨论了预混气组成、入射激波强度及反射壁面形状对点火和爆轰的影响。结果表明,激波在抛物形反射壁面顶点处聚焦反射可形成局部高温高压区域,该区域在一定条件下可点燃预混气甚至形成爆轰,其中低稀释剂浓度的预混气、较大的入射激波Mach数和较深的反射壁面有利于可燃预混气形成爆轰。     

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明,标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波,爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构;爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点,而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动;可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响,但是初始温度的影响大得多。     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明：本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是：尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

T型管内流动气体中爆轰绕射过程的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对H₂、O₂、Ar体积比为2:1:1的混合气体系统在T型管内的爆轰绕射进行了数值模拟。用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波在静止系统和流动系统中的传播过程,得到了温度、压力、典型组元H质量分数的分布及数值胞格结构。结果表明：在流动系统中,迎风面上波阵面为斜爆轰结构,静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波;在水平管中,波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞后,最终形成正爆轰;在流动系统中,胞格结构明显向下游偏移;横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。     

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.     

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。     

激波与爆轰波对撞的数值模拟研究

用二阶精度NND差分格式和改进的二阶段化学反应模型模拟了爆轰波与激波的对撞过程,研究了不同强度入射激波对爆轰过渡区域的影响. 当对撞激波较弱时,透射爆轰波演变主要受流动膨胀作用的影响,可划分为对撞影响区、爆轰恢复区和稳定发展区3个阶段. 在爆轰恢复区和稳定发展区,前导激波压力经历一个过冲、然后向稳定爆轰过渡的过程,表现了爆轰波熄爆和再起爆的物理特征. 当对撞激波较强时,可燃混合气体的高热力学参数导致了更高的化学反应活化程度,形成了弱爆轰向稳定爆轰的直接转变.      

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．     

环形激波绕射、反射和聚焦流场的间断有限元模拟

采用间断有限元方法对环形激波在圆柱形激波管内绕射、反射和聚焦流场进行了数值模拟。将二维守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,并对环形激波绕后台阶流动进行了数值计算。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉运动激波在圆柱形激波管内传播的复杂流场结构;在聚焦点附近,数值解具有较大的梯度变化,表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力,在聚焦点附近不会产生振荡或抹平间断现象。     

激波管双爆轰驱动段性能的数值模拟研究

采用频散可控的耗散格式(DCD),求解Euler方程和一种改进的二阶段化学反应模型, 对氢氧反向-正向双爆轰驱动段激波管进行了数值模拟. 计算结果表明：当辅驱动段与主驱动 段初始压力比小于临界值时,Taylor波仍会出现,但波扇夹角较单一前向爆轰驱动段小,入 射激波马赫数衰减率变小;当初始压力比等于临界值时,主驱动段中的Taylor波完全被消除, 入射激波马赫数不再衰减. 当初始压力比大于临界值时,在主驱动段中能产生过驱动爆轰波, 不仅Taylor波被完全消除,而且驱动能力较单一前向爆轰驱动段强.     

含铝炸药水下滑移爆轰实验研究

为了研究含铝炸药水中爆炸近场范围内沿装药径向的冲击波特性及爆轰产物的膨胀规律,设计了水下滑移爆轰实验装置。采用高速扫描相机和阴影照相技术记录了一种RDX基含铝炸药的水下滑移爆轰过程,获得了清晰的水下滑移爆轰过程的扫描图像。通过对图像进行分析,得到了水中爆炸近场范围内沿装药径向冲击波的传播迹线及爆轰产物气泡的膨胀迹线,进而分析出冲击波传播速度、阵面压力及爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律。此外,根据气泡的膨胀迹线,标定了该含铝炸药爆轰产物的JWL状态方程参数,并将其与Φ50mm圆筒实验确定的参数值在p-V图上进行了对比。结果显示,两者偏差较小,证实了该方法的可行性。     

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。     

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。     

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。     

圆柱装药在偏心定向起爆时水中近场压力特性

对UHL-5炸药在侧向9点偏心定向起爆和几何中心点起爆时的水下爆炸近场峰值压力分布特性 进行实验研究和数值模拟,得到2种起爆条件下不同距离与方位角测点处冲击波峰值压力和侧向9点起爆时 的定向增益区域。结果表明,对于5kg圆柱形UHL-5装药,采用侧向9点偏心定向起爆方式时,在爆距 750mm、方位角90范围内的流场区域具有明显的峰值压力定向性。     

一点起爆半球形装药装置中散心爆轰波传播的数值模拟研究

运用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D,对一点起爆半球壳装药装置中散心爆轰波的传播过程进行数值模拟计算.对冲击波到达炸药和飞层各界面的波形的计算值与实验值进行了对比,两者符合较好,从而验证了该程序的准确性和有效性;对爆轰波的传播过程进行了分析研究,获得了一些散心爆轰波传播的规律性认识,为进一步研究散心爆轰波特性提供了数值分析基础.     

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。     

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。