长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.      

气相爆轰在T形管中传播新现象的实验研究

对2H2/O2/Ar系统爆轰波在T形管(截面为40mm×40mm)中传播现象进行了实验研究.用烟迹片记录了T形管中爆轰波的胞格结构,用压电传感器记录了分叉口附近指定点压力时间曲线,得到了爆轰波在分叉口附近的平均速度和胞格图案演变.结果表明:初压P0≥2.67kPa,在水平和垂直支管下游区域(距离分叉口约3.5—6倍方管截面边长),分叉口影响消失,爆轰波恢复稳定,且强度基本保持不变.在分叉口绕射过程中,爆轰波在膨胀区中衰减,诱导激波阵面弯曲.两个支管中发生马赫反射,三波点迹线清晰可见.该传播特性是爆轰波的诱导激波和横波共同作用的结果.分叉口附近的胞格结构先消失再恢复,在无胞格和平衡胞格之间的区域存在细密胞格的过渡区,表征了在诱导激波与化学反应阵面分离后的区域中出现二次点火.P0=2.00kPa,水平支管中稳定自持爆轰能重建,垂直支管中爆轰熄灭.P0<2.00kPa,分叉口上游已不能形成稳定爆轰.还对胞格结构中的几个特征参数进行了测量,并初步分析了P0对这些参数的影响.     

激波驱动的气固两相流的动态压力测量

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究.利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统, 对激波与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析. 试验中测得了激波在管中的传播速度, 波后气流的压力, 反射激波、透射激波的压力和速度等. 分别考察颗粒、装载比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响.试验结果表明: 激波与颗粒群相互作用时, 会产生反射激波和透射激波,其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关;激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小. 研究指出,在颗粒群被激波加速的初始阶段, 颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.      

爆轰驱动高焓激波膨胀管性能研究

介绍了中国科学院高温气体动力学实验室JF-16爆轰驱动高焓激波膨胀管的研制进展及其性能测试结果. 性能研究主要测量了入射激波速度和压力曲线. 根据入射激波速度,应用Mirels的黏性激波管理论计算了超高速试验气流的运动速度,然后应用Gaseq软件计算了试验气流的热力学参数. 研究结果表明:在16.35\,m长的JF-16激波膨胀管中获得了流速7\,000\,m/s以上的稳定试验气流,试验时间为50$\sim$100$\mu$s, 试验气流总焓30\,MJ/kg左右.      

激波喷出过程和在林带中的传播

运用激波管技术研究了激波从管口喷出和在林带中传播这两个基本问题。给出了三方面的结果 :揭示了激波从管口喷出时的复杂流场 ,显示了主激波弯曲和衰减 ,二次激波的形成和合拢 ,涡环的长大和发展 ,以及涡环前缘出现正激波等基本物理现象 ;显示了激波在林带中的传播过程 ,取得了激波遇林地的反射 ,马赫杆形成 ,激波与林冠的相遇 ,林冠对涡环的阻滞效应等纹影照片 ;沿激波在林地的传播方向测量了地面压力 ,证实林带有明显的消波效应。     

秦岭公路隧道2号竖井地应力与岩爆分析

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究. 利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统, 对激波 与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析. 试验中测得了激波在管中的传播速 度, 波后气流的压力, 反射激波、透射激波的压力和速度等. 分别考察颗粒、装载 比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响. 试验结果表明: 激波与颗粒群相互作用时, 会产生反射激波和透射激波, 其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关; 激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小. 研究指出, 在颗粒群被激波加速的初始阶段, 颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.     

柱状汇聚激波冲击单模气体界面的实验研究

在自行设计和加工的半环形汇聚激波管中,开展了柱状汇聚激波冲击单模Air/SF6气体界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性实验研究。不同于以往的环形激波管,该激波管具有半圆形结构的实验段,使半环形管道和实验段都向外敞开,能够参考传统水平激波管的方式设置初始扰动界面和观测系统。采用线约束肥皂膜的方法形成单模初始扰动界面。利用高速纹影成像技术得到了柱形汇聚激波作用下界面演化的完整过程。为了研究初始振幅对界面演化形态的影响,实验中生成了三种不同初始振幅的单模界面,并获得了三种工况下界面位移和扰动振幅随时间的变化。结果表明,汇聚激波作用下的RM不稳定性与平面激波有很大差别,主要原因在于汇聚效应,包括结构汇聚、流动压缩以及界面反相等。     

高超声速飞行复现风洞理论与方法

针对高超声速飞行伴随的热化学反应流动,本文回顾了郭永怀先生的科研理念和学科布局,综述了他亲手成立的高温气动团队在高超声速飞行风洞实验模拟理论与方法方面的研究进展.高温气体的迅速产生与迅速应用是一种理想的风洞运行方法,而激波管就是这样一种实验装备.论文首先介绍了激波管技术的基本理论与方程,指出将其用于高超声速流动实验模拟时所具有的独特优势.然后讨论了应用激波风洞复现需要的高超声速飞行状态的可行性、基本方程和需要解决的关键问题.针对这些关键问题,进一步介绍了如何应用爆轰现象研发激波风洞驱动技术的理论,并给出了基于爆轰驱动方法的技术发展和工程应用验证.最后,论文介绍了爆轰驱动激波风洞的界面匹配条件,该条件奠定了长实验时间激波风洞运行基础,是其他驱动方法尝试解决而没能完全解决的难题.高温气动团队关于高超声速飞行复现风洞的理论与技术研究,实现了郭永怀先生的战略规划,成就了国际领先的高超声速热化学反应流动研究平台.      

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.     

一个改进的电磁波传输激波管实验

在中国科学院力学研究所Φ800 mm高温低密度激波管上进行电磁波在等离子体中传输机理研究时,低密度和强激波条件下,由于气体解离和电离等非平衡过程,使得激波后2区宽度显著减小;同时由于边界层效应造成激波衰减和接触面加速,使得激波后2区长度进一步减小.这两个效应导致激波管2区实验观测时间减小,2区气体处于非平衡状态,增加了观察数据的不稳定性和数据分析的难度.本文提出在Φ800 mm高温低密度激波管中采用氩气(Ar)和空气(Air)混合气替代纯空气作为激波管实验介质气体.利用Ar不解离和难电离的特性,减小激波前后压缩比,从而增加激波后2区实验时间和气体长度.采用Langmuir静电探针和微波透射诊断技术测量激波后电子密度,同时利用探针测量激波后2区实验时间.结果显示,在Ar+Air混合气实验中,激波波后电子密度可达与纯Air同样的10~(13)cm~(-3)量级.在与纯Air相同的电子密度和碰撞频率条件下,采用95%Ar+5%Air和90%Ar+10%Air两种混合气,激波后2区实验时间和气体长度约为纯Air条件下的5～10倍,其中2区实验时间为300～800μs,2区气体长度1～1.5 m.在Φ800 mm激波管中采用Ar+Air介质气体进行电磁波传输实验,获得了比在纯Air介质中与理论预测更一致的结果.     

一个改进的电磁波传输激波管实验

在中国科学院力学研究所$\varPhi $ 800 mm高温低密度激波管上进行电磁波在等离子体中传输机理研究时,低密度和强激波条件下,由于气体解离和电离等非平衡过程,使得激波后2区宽度显著减小;同时由于边界层效应造成激波衰减和接触面加速,使得激波后2区长度进一步减小.这两个效应导致激波管2区实验观测 时间减小,2区气体处于非平衡状态,增加了观察数据的不稳定性和数据分析的难度.本文提出在$\varPhi 800 $ mm高温低密度激波 管中采用氩气(Ar)和空气(Air)混合气替代纯空气作为激波管实验介质气体.利用Ar不解离和难电离的特性,减小激波前后压缩比,从而 增加激波后2区实验时间和气体长度. 采用Langmuir 静电探针和微波透射诊断技术测量激波后电子密度,同时利用探针测量激波后2区实验时间.结果显示,在Ar+Air混合气实验中,激波波后电子密度可达与纯Air同样的10$^{13}$cm$^{ - 3}$量级.在与纯Air相同的电子密度和碰撞频率条件下,采用95%Ar+5%Air和90%Ar+10%Air两种混合气,激波后2区实验时间和气体长度约为纯Air条件下的5$\sim $10倍,其中2区实验时间为300$\sim $800 $\mu$s,2区气体长度1$\sim $1.5 m.在$\varPhi $800 mm激波管中采用Ar+Air介质气体进行电磁波传输实验,获得了比在纯Air介质中与理论预测更一致的结果.      

高超声速飞行复现风洞理论与方法

针对高超声速飞行伴随的热化学反应流动,本文回顾了郭永怀先生的科研理念和学科布局,综述了他亲手成立的高温气动团队在高超声速飞行风洞实验模拟理论与方法方面的研究进展.高温气体的迅速产生与迅速应用是一种理想的风洞运行方法,而激波管就是这样一种实验装备.论文首先介绍了激波管技术的基本理论与方程,指出将其用于高超声速流动实验模拟时所具有的独特优势.然后讨论了应用激波风洞复现需要的高超声速飞行状态的可行性、基本方程和需要解决的关键问题.针对这些关键问题,进一步介绍了如何应用爆轰现象研发激波风洞驱动技术的理论,并给出了基于爆轰驱动方法的技术发展和工程应用验证.最后,论文介绍了爆轰驱动激波风洞的界面匹配条件,该条件奠定了长实验时间激波风洞运行基础,是其他驱动方法尝试解决而没能完全解决的难题.高温气动团队关于高超声速飞行复现风洞的理论与技术研究,实现了郭永怀先生的战略规划,成就了国际领先的高超声速热化学反应流动研究平台.     

自由活塞压缩管ALE方法数值模拟

当前国际上实现高焓气体流动的实验手段之一是自由活塞驱动类脉冲设备,包括自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管.采用自由活塞压缩管作为激波风洞和膨胀管的驱动段时,其驱动能力在很大程度上决定了该类设备的性能.本文采用计算流体力学中任意拉格朗日——欧拉方法(arbitrary Lagrangian Eulerian)数值模拟了压缩管内部的自由活塞运动和气体流动特征.采用移动网格技术来适应活塞运动边界,耦合求解网格运动和气体流动过程,并通过双时间步长方法进行流体运动的时间积分.为了满足几何守恒律(geometric conservation law),对移动网格的法向矢量和表面面积计算进行了修正.不同时刻的活塞位置试验测量结果及欧拉方法预测结果,以及基于简单波理论获得的运动活塞底部气体压力、活塞速度与活塞位置都与当前的ALE方法十分一致.该工作为下一步数值模拟自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管中包括压缩管、激波管和喷管等不同部位的耦合流动提供了基础.      

激波诱导下的气体界面不稳定性实验研究

界面不稳定性, 特别是Richtmyer–Meshkov (RM) 不稳定性, 是流体
力学中一项重要的研究内容, 无论在学术研究领域还是工程应用领域都有着
重要的研究价值和应用背景. RM 不稳定性问题自提出以来, 得到了学术界
广泛的关注, 其研究无论是在实验方法、数值模拟还是在理论分析方面都取
得了很大的进展. 在激波管中开展激波与界面相互作用的实验研究, 即研究
界面初始扰动在激波诱导下的演化规律, 是目前研究RM 不稳定性的重要手
段. RM 不稳定性实验研究包括3 个部分, 分别是激波的产生、界面的形成
以及流场的观测. 综述了RM 不稳定性的实验研究进展, 并针对目前研究的
局限性提出了RM 不稳定性今后实验研究的重点和方向: 汇聚激波作用下界
面不稳定性的发展规律; 激波冲击下多种形状及大振幅界面的演化机理; 三
维界面的RM 不稳定性发展规律; 可压缩湍流的形成与混合机理.      

爆轰驱动惰性气体磁流体发电试验研究

磁流体发电装置作为一种特殊的高功率脉冲电源,具有效率高、容量大、启动快的优点,制约其发展的关键在于如何获得高电导率的发电工质.爆轰驱动具有远超常规方式的驱动能力,在提供高温、高电导率气体方面独具优势.将爆轰驱动激波管技术应用于磁流体发电,有利于突破磁流体发电技术瓶颈,故据此开展了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电试验研究.爆轰驱动根据激波管点火位置不同分为反向和正向两种运行模式,反向爆轰驱动可提供时间较长、状态稳定的试验气流,而正向爆轰优势在于产生高焓试验气流.试验系统由爆轰驱动激波管、拉瓦尔喷管、发电通道、电磁铁和真空罐等组成,试验中分别以反向爆轰和正向爆轰驱动激波管产生发电工质,利用激波将惰性气体压缩至高温从而发生电离,形成的等离子体经喷管加速后,最终在法拉第直线型发电机内切割磁感线输出电能.磁场强度0.9 T的条件下,反向爆轰在负载3.5Ω时获得了较稳定的1.9 kW输出功率,持续时间1.5 ms;外接35 mΩ负载时,正向爆轰在0.3 ms内短时输出功率高达212 k W,功率密度为0.2 GW/m³.试验成功验证了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体...     

激波诱导两相流中影响阻力系数的特性参数研究

基于双流体模型 ,利用Euler Lagrange组合方法 ,对激波诱导的气固两相流场进行了数值计算 ,系统研究了影响颗粒群阻力系数的几个重要特性参数。结果表明 :目前采用激波管技术研究非定常条件下颗粒群阻力系数时界定这些因素的影响程度是必要的。     

抽吸激波管的性能分析与计算

为了减小由于反射激波和透射激波分叉引起的反射型激波风洞试验气体提前受到污染的现象,本文研究了一种新的具有抽吸的激波管流动,分析了抽吸缝的作用,给出了这种抽吸激波管性能参数的计算方法,同时还给出了反射激波与边界层相互作用引起的激波分叉的形状随抽吸量变化的计算公式。实验证实了边界层抽吸可以有效地减小激波与壁面边界层相互作用所产生的分离现象。计算与测量结果是一致的。     

用激波管研究高温气体辐射

研究高温气体辐射的意义近20年来,由于空气动力学和爆炸波研究而发展起来的激波管,已成为具有广泛用途的实验工具,尤其在研究高温气体中的化学物理过程方面,更显示出它的独特优点.在激波管内,低压气体受激波加热而获得瞬时的高温.在其内部强烈地发生着各种原子和分子的过程.所有这些过程都可能伴随着光辐射现象.因此,研究高温气体的辐射,是探索高温气 ...     

JP-10裂解的激波管实验与动力学模拟

利用单脉冲激波管对碳氢燃料JP-10在1150~1300K条件下的高温热裂解特性进行了实验研究,采用气相色谱法分析热裂解产物并获得了热裂解速率系数.主要裂解产物有乙烯、乙炔、丙烯、丁烯、1,3-丁二烯、环戊二烯、环戊烯、苯、甲苯,以及少量的甲烷、乙烷、二甲苯和甲基环戊烯.将每次激波管实验后所有产物浓度累加, JP-10裂解速率系数由实验测定.为了消除激波运行中非理想性和边界层效应导致反应温度确定的误差,采用对比速率法确定裂解温度,即在反应物中加入少量热解速率已知的内标物,根据内标物在相同的激波管实验条件下的裂解程度确定反应温度.根据内标物裂解量确定的激波管裂解反应温度通常小于采用传统测量激波速度由激波关系计算的反射激波后5区温度.在1200~1300K之间两种方法得到的温度吻合得较好,差异在20K以内,随着温度升高,两者差异增大.在实验研究的基础上,依据San Diego Mechanism对JP-10高温裂解过程进行了动力学模拟.结果显示:主要裂解产物中乙烯、乙炔和1,3-丁二烯产量随温度变化的实验值与San Diego Mechanism的模拟结果有很好的一致性,但环戊烯产量的实验值比模拟值高很多,预示JP-10裂解中完全开环和部分开环反应都是重要的裂解通道.      

激波与涡对相互作用的实验研究

在方截面激波管中进行了平面运动激波和涡对的二维相互作用实验，研究了激波与同向涡对、激波与反向涡对相互作用的非定常过程．根据实验照片，分析讨论了作用过程中激波的变形，二次激波和三波点的形成、演变，激波与激波的相互作用，以及旋涡结构的变化等．实验表明，激波通过涡核时，激波发生剧烈变形，旋涡强度增大，涡核形状改变．