环氧丙烷爆燃转爆轰过程反应产物的光谱法确定

采用由增强型ICCD光谱探测器、SpectraPro-275光谱仪和DG535同步控制器组成的瞬态光谱测量系统,在解决了测试系统时间同步问题、弱光探测问题、提高光谱分辨率问题和波长定标及防止误触发问题后,在长4.0 m,内径为0.10 m的爆炸激波管侧窗,拍摄到了持续时间仅为数ms的环氧丙烷爆燃转爆轰过程的曝光时间为1～16 μs的瞬态发射光谱。测量系统的光谱分辨本领达到了0.2 nm 。根据由碳、氢和氧组成的小分子和自由基的特征辐射谱带带头波长值,经过对所测光谱进行分析和辨认,确定了在环氧丙烷的爆燃转爆轰过程中有OH,CH,C₂,C₃,CO,CO₂,CHO和CH₂O这些反应产物出现。这些反应产物的确定,是进一步分析环氧丙烷爆燃转爆轰过程的微观机理必不可少的实验依据。     

瞬态光谱法确定环氧丙烷DDT过程中起主导作用的基团

解决了燃料爆燃转爆轰(DDT)过程初始阶段弱辐射瞬态光谱测试问题、反应中间产物辐射相对强度定标问题和瞬态光谱测试系统同步控制问题后,从爆炸激波管的6个不同侧窗,拍摄了环氧丙烷DDT过程不同距离处的曝光时间为2～8 μs、分辨率达到0.2 nm的瞬态发射光谱。对所测光谱进行相对强度定标后,得到了主要反应中间产物光辐射强度随燃烧波阵面传播距离的变化曲线, 此曲线反映出DDT过程中反应中间产物的发展过程和其相应的浓度变化。结果显示,在爆燃阶段,燃烧气体的化学反应速率平缓增加,反应中间产物浓度逐渐增大;但在爆燃转爆轰的瞬间,反应急剧增快,反应中间产物的浓度突跃式地成倍增大。其中CO分子和CHO,OH自由基的浓度增幅显著大于其他反应产物,表明这几个基团是环氧丙烷爆燃转爆轰过程中起主导作用的重要基团。     

环氧丙烷爆燃转爆轰过程中产物C2的发射光谱

采用具有增强功能的光谱探测器增强型电荷耦合器件(Itensified charge coupled device,ICCD)和自行设计的光电转换器,应用激波管技术对环氧丙烷爆燃转爆轰过程的发射光谱进行了拍摄,探测器快门开启时间为2μs,在500-570nm之间进行了多次测量,由压力传感器监测的压力信号来判断爆燃转爆轰过程的重复性。实验结果表明：探测到了产物C2分子的发光光谱,它们可归属为斯旺(Swan)带的d^3∏g-a^3∏u跃迁中△v=-1.0的两个振动序列。各序列的带头分别为516．52nm,512．94nm,563．55nm,558．55nm,554．07nm,550．19nm和544．77nm。通过对所拍摄光谱的分析,推断中间产物C2是环氧丙烷爆燃转爆轰过程中的主要产物之一,并给出了C2自由基形成的几种可能的反应通道。     

环氧丙烷爆燃转爆轰过程的瞬态发射光谱

采用爆光时间最短可达 5ns ,且具有像增强功能的光谱探测仪器ICCD ,用自行研制的光电转换器将光触发信号转变为电脉冲去外触发DG5 35数字延迟发生器 ,由DG5 35在设定的延迟时间后开启探测器快门并控制其曝光时间 ,从而使被测光信号与快门的打开达到同步 ,用芯径 1mm的塑料光纤从爆炸激波管端窗引出被测光信号至光谱仪色散后到达ICCD ,直接对环氧丙烷爆燃转爆轰 (DDT)的动态变化过程进行了实时光谱测量 ,拍摄到了环氧丙烷DDT过程不同时刻的、曝光时间为微秒量级的瞬态发射光谱。结果显示 ,在DDT初始阶段光辐射很弱 ,主要是原子线状光谱 ;在DDT中间阶段辐射已比较强 ,既有原子线状光谱 ,也有分子带状光谱以及热辐射背景 ;达到爆轰时光辐射强度呈数量级增加 ,原子线状谱、分子带状谱叠加在热辐射背景之上。     

大型水平管道中环氧丙烷-铝粉-空气混和物爆燃转爆轰的实验研究

 在长为32.4 m、内径为0.199 m的大型长直水平管道中,对环氧丙烷-空气两相流云雾及环氧丙烷-铝粉-空气三相流云雾的爆燃转爆轰（DDT）过程进行了实验研究。对弱点火条件下多相混和物DDT过程的不同阶段特征进行了分析,对比研究了不同浓度时混和物的燃爆情况。结果表明：浓度为513 g/m³的环氧丙烷-空气混和物及浓度为237和643 g/m³的环氧丙烷-铝粉-空气混和物均能在管道中完成爆燃向爆轰的转变,进入自持爆轰阶段,其胞格尺寸分别为0.28和0.50 m。     

气相爆轰波在分叉管中传播现象的数值研究

数值研究气相爆轰波在分叉管中的传播现象.用二阶附加半隐龙格-库塔法和5阶WENO格式求解二维欧拉方程,用基元反应描述爆轰化学反应过程,得到了密度、压力、温度、典型组元质量分数场及数值胞格结构和爆轰波平均速度.结果表明:气相爆轰波在分叉管中传播,分叉口左尖点的稀疏波导致诱导激波后压力、温度急剧下降,诱导激波和化学反应区分离,爆轰波衰减为爆燃波(即爆轰熄灭).分离后的诱导激波在垂直支管右壁面反射,并导致二次起爆.畸变的诱导激波在水平和垂直支管中均发生马赫反射.分叉口上游均匀胞格区和分叉口附近大胞格区的边界不是直线,其起点通常位于分叉口左尖点上游或恰在左尖点.水平支管中马赫反射三波点迹线始于右尖点下游.分叉口左尖点附近的流场中出现了复杂的旋涡结构、未反应区及激波与旋涡作用.旋涡加速了未反应区的化学反应速率.反射激波与旋涡作用并使旋涡破碎.反射激波与未反应区作用,加速其反应消耗,并形成一个内嵌的射流.数值计算得到的波系演变和胞格结构与实验定性一致.     

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。     

瞬态光谱测量中的触发与同步技术

设计加工了一套高速单脉冲触发电路,触发门限在150 mV～1.5 V范围内连续可调,输出脉冲宽度可自行调节,其响应时间小于50纳秒.提出了通过短脉冲半导体激光器测量触发延时的同步方案.在此基础上利用带像增强的ICCD探测器,建立了瞬态光谱测试系统,并实时测量了环氧丙烷爆燃转爆轰过程的瞬态光谱.触发与同步技术是研究的重点.     

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。     

纳米二氧化钛粉体的气相爆轰制备

 介绍了利用氢氧混合气体为原料、以四氯化钛为前驱体、气相爆轰制备纳米二氧化钛粉体的方法。利用XRD衍射结果分析证明，产物为金红石相和锐钛矿相的二氧化钛混晶，其晶粒尺度为纳米量级。通过XRD、SEM、TEM分析可以得出，粒子基本为球形，大部分粒子粒径为10~20 nm，也有少量的100 nm左右的粒子产生。分析后发现，反应发生在爆燃转爆轰的过程中和爆轰管中的湍流现象是导致大粒子产生的主要原因。在对在氢过量和氧过量两种状况下，对爆轰所产生的产物的形貌进行了对比，分析发现两种状况产生纳米二氧化钛粉末粒径分布和形貌并没有太大变化。     

CIS在瞬时多光谱爆温测量中的应用研究

对利用CMOS图像传感器进行爆温测量的方法进行了理论和实验研究。提出了一种更符合实际测量要求的瞬时多光谱爆温测量系统,并用激光器的特征谱线对系统进行了标定。利用该装置结合多光谱色温回归计算方法,测量了温度快速变化的卤钨灯的温度,得到了其随时间的变化曲线。     

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。     

Performance enhancement of a pulse detonation rocket engine

Utilizing liquid kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer and nitrogen as purge gas, a series of multi-cycle detonation experiments was conducted to improve the performance of pulse detonation rocket engine (PDRE). In order to improve the performance of the engine, it is crucial to develop an effective DDT enhancement device with less flow loss and higher survival in hostile detonation tube; therefore, three spiraling internal grooves were tested. The three spiraling internal grooves were semicircle, square and inversed-triangle grooves, respectively. The results showed that the spiraling internal groove can effectively enhance DDT and prolong the operation time of PDRE. The effect of groove shape on thrust enhancement of PDRE and the optimum length of spiraling groove were then investigated. To improve the detonability of liquid kerosene and prolong the durability of PDRE, experiments on the kerosene preheating based on active cooling were conducted. The results demonstrated that with the aid of fuel preheating, the detonation initiation time for liquid kerosene was noticeably reduced and a fully-developed detonation wave was achieved in the position away from igniter 4.67 times the diameter of the detonation tube. By adding the additive to liquid kerosene, the detonation initiation time from 0.75 ms decreased to 0.34 ms and the detonability of fuel was dramatically improved. Finally, experiments were conducted to investigate the effects of the operating frequency on the detonation parameters, the fill fraction and PDRE performance. The results indicated that detonation pressure and temperature vary with the operating frequency of PDRE, and the fill fraction has a significant influence on the specific impulse of PDRE. With the strategy of partial filling in detonation tube, the specific impulse can be remarkably enhanced.     

Reaction propagation modes in millimeter-scale tubes for ethylene/oxygen mixtures

Effects of tube diameter and equivalence ratio on reaction front propagations of ethylene/oxygen mixtures in capillary tubes were experimentally analyzed using high speed cinematography. The inner diameters of the tubes investigated were 0.5, 1, 2 and 3 mm. The flame was ignited at the center of the 1.5 m long smooth tube under ambient pressure and temperature before propagated towards the exits in the opposite directions. A total of five reaction propagation scenarios, including deflagration-to-detonation transition followed by steady detonation wave transmission (DDT/C–J detonation), oscillating flame, steady deflagration, galloping detonation and quenching flame, were identified. DDT/C–J detonation mode was observed for all tubes for equivalence ratios in the vicinity of stoichiometry. The velocity for the steady detonation wave propagation was approximately Chapman–Jouguet velocity for 1, 2, and 3 mm I.D. tubes; however, a velocity deficit of 5% was found for the case in 0.5 mm I.D. tube. For leaner mixtures, an oscillating flame mode was found for tubes with diameters of 1 to 3 mm, and the reaction front travelled in a steady deflagrative flame mode with velocities around 2–3 m/s when the mixture equivalence ratio becomes even leaner. Galloping detonation wave propagation was the dominant mode for the fuel lean regime in the 0.5 mm I.D. tube. For rich mixtures beyond the detonation limits, a fast flame followed by flame quenching was observed.     

Deflagration-to-detonation transition in air-binary fuel mixtures in an obstacle-laden channel

The results of studying deflagration-to-detonation transition (DDT) in hydrogen-methane (propane)-air in a detonation tube with uniformly spaced annular obstacles are presented. The effect of the scaling factor on the DDT was identified. The boundary between fast deflagration and detonation regimes was calculated using a criterion based on a comparison of the gasdynamic and chemical characteristic times for the ignition of the mixture behind the shock wave reflected from an obstacle.