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。     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

爆轰波数值计算中人为粘性与空间步长的匹配关系

在平面爆轰波的数值计算中,各种假设的化学反应率,在爆袭波达到定态时,数值计算一定要符合ChapmanJouguet理论。也就是说,在声速点的波后流场与C-J模型相一致。本文采用了文献[1]中的Cochran反应率和相应的状态方程,导出了人为粘性系数与空间步长的匹配关系,当符合此条件时,数值计算的爆轰波速度才能是C-J条件,并保证声速点的状态压力、密度、内能等符合C-J条件。     

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。     

金属约束下定常非理想爆轰的理论研究

为了对金属约束条件下的定常非理想爆轰进行理论研究,对未反应炸药和爆轰产物采用JWL形 式状态方程,对金属采用p(,T)形式状态方程。采用过爆轰前导冲击波的流线偏转角在影响域内沿高度线 性变化的假设,并且由未反应炸药和金属的冲击波极曲线的交点确定爆轰冲击边缘角,则可从未反应炸药斜 冲击波极曲线关系式求出爆轰前导冲击波阵面的形状。采用爆轰前导冲击波阵面之后的流线是直线的假设, 则爆轰流动控制方程由偏微分方程变为沿流线的常微分方程,沿着所有流线求解便给出爆轰化学反应区内 声速线与化学反应结束线的位置。理论分析同时给出约束金属折射冲击波后面的流体的流动状态。理论结 果给出的爆轰化学反应区结构特征和约束金属内的流动状态特征与高精度数值模拟的结果符合良好,说明 本文中给出的理论方法具有良好的合理性和适用性。     

二维数值模拟爆轰中化学反应率的应用

续定常爆轰数值模拟中化学反应率与人为粘性的相关性,本文对体积起爆函数进行了一维、二维系统考查,并与Cochran反应率做了二维对比计算给出数值结果。数值模拟爆轰的复杂相互作用,应用体积起爆函数为好。     

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。     

有限谱ENO格式在爆轰波数值模拟中的应用

使用有限谱ENO(EssentiallyNon Oscillatory)格式 ,采用V .P .Korobeinikov二步化学反应模型 ,对稀释的化学当量的氢气和氧气混合物中非定常自维持爆轰波进行了二维数值模拟 ,研究了波的产生和演化机理 ,分析了爆轰波的三波结构和传播过程。计算得到的爆轰波参数和结构与以前的计算和实验结果一致。研究表明 :有限谱ENO格式可以成功地模拟非定常自维持爆轰波。     

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。     

粘性及热传导对于爆轰波的影响

对在满足化学当量比的氢氧混合气体中传播的一维和二维连续旋转爆轰波进行了数值模拟,以此检验粘性和热传导对爆轰波发展和结构的影响。模拟分别基于NS和Euler控制方程,采用二步化学反应模型,对流项采用5阶MPWENO格式求解,时间方向采用3阶TVD Runge-Kutta法,粘性项采用中心差分格式进行离散。结果表明:粘性和热传导不会对爆轰波流场的基本流场结构产生影响;在具体数值上,粘性和热传导的影响值在爆轰波、斜激波、接触间断等速度或温度剧烈变化处相对较大,但总体上其影响量均比爆轰波流场的步进值小三个量级。因此,在没有壁面效应的一维爆轰和二维连续旋转爆轰波流场中,粘性和热传导项作为很小的扰动存在,对爆轰波的流场结构和数值大小基本不会产生影响。     

Three-dimensional numerical simulation of detonations in coaxial tubes

Three-dimensional numerical simulation of detonations in both a circular tube and a coaxial tube are simulated to reveal characteristics of single spinning and two-headed detonations. The numerical results show a feature of a single spinning detonation which was discovered in 1926. Transverse detonations are observed in both tubes, however, the single spinning mode maintains the complex Mach reflection whereas the two-headed mode develops periodically from the single Mach reflection to the complex one. The calculated cell aspect ratio for the two-headed mode changes from 1.09 to 1.34 as the radius of axial insert increases from r ₁/R = 0.1 to 0.9. The calculated cell aspect ratio for r ₁/R = 0.1 is close to the experimental results without an axial insert. The formation of an unreacted gas pocket behind the detonation front was not observed in the single spinning mode; however, the two-headed mode has unreacted gas pocket behind the front near the axial insert.      

Experimental study on spherically imploding detonation waves

Spherically imploding detonation waves propagating in a stoichiometric propane-oxygen mixture in a convergent hemispherical space having an innerdiameter of 800 mm were experimentally investigated with an intention to clarify the reason for the anomalous increase of the pressure and temperature behind the imploding detonation waves observed in a smaller vessel having an inner-diameter of 360 mm. The relations between the radial distance of the detonation front, the peak pressure, spectroscopic temperature at the imploding detonation front and those behind the shock waves reflected from the implosion focus show almost the same tendencies as in the smaller convergent space. The pressure as well as the temperature at the imploding detonation front increases, with the propagation of the implosion, more rapidly than theoretically estimated. The reason for it is attributed to the double imploding detonation waves.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1990.     

凝聚炸药非理想爆轰的数值模拟

本文对凝聚炸药非理想爆轰的数值模拟进行了系统介绍。对敏感、钝感炸药的理想与非理想爆轰的数值模拟方法、宏观反应速率方法及近年发展起来的ＤＳＤ（ＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＳｈｏｃｋＤｙｎｔｉｍｉｃｓ）方法和波阵面追踪法,以及对这些方法的适应能力、存在的主要问题进行了分析与讨论。      

爆炸变形战斗部模型试验研究

测量了爆炸变形战斗部模型的破片密度和初速分布 ,得到了辅助装药爆炸驱动壳体变形的过程的X光照片。结果表明 ,与相同尺寸的柱形战斗部相比 ,爆炸变形战斗部飞向目标的破片不仅密度大幅度地增加 ,而且初速也有一定程度的提高 ,从而增强了战斗部对目标的毁伤能力。     

Detonability of fuel-oxygen and fuel-air mixtures

An analysis of theoretical models and experimental investigations of the detonability of unconfined detonation in uniform gaseous mixtures shows a disparity in results. The present study is limited to propane, acetylene and methane diluted with oxygen or air in variable proportions and initial pressures at ambient temperature conditions. Because of the disparity in results, a simple and general formulation of critical initiation energy for gaseous detonations has been investigated. The problem has been formulated using the conservation equation of total energy enclosed by the shock. From this, a simple form for the critical energy has been deduced. This approach leads to a good simulation in uniform mixtures, regardless of initiation conditions. Some applications are presented in this paper. A new experimental study on the detonability of methane/oxygen mixtures diluted with propane and/or nitrogen is reported. The gaseous mixtures are confined in a cylindrical vessel. The initial conditions are various equivalence ratio and pressure under room temperature. In the case of methane/oxygen mixtures, the predetonation radius varies directly with the cell width. The constant ratio is in the order of 18, slightly different from the classical relation R _c= 20λ. For propane the slope variation of the critical energy versus initial pressure depends on the dilution. We have compared the critical energy obtained by several authors with the theoretical values. Fuel ratio and initial pressure are the chosen parameters. These comparisons show that the formulation allows for the prediction of the critical energy of detonation of uniform mixtures with a good estimation range. The correlation between the different geometries has been deduced and a test has been conducted as well in the case of stoichiometric methane/oxygen and acetylene/oxygen mixtures versus initial pressure for a cylindrical detonation. Received 9 January 1996 / Accepted 24 January 1997     

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman-Jouguet)理论和ZND(Zel'dovich,von Neumann,D?ring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.      

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.     

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。     

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.