气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

可燃气体中激波聚焦的点火特性

数值模拟了二维平面激波从抛物面上反射在可燃气体中聚焦的过程，研究了形 成爆轰波的点火特性. 对理想化学当量比氢气/空气混合气体，在初始压强20kPa的条件下， 马赫数2.6-2.8的激波聚焦能产生两个点火区：第1个点火区是反射激波会聚引起的，第 2个点火区是由入射激波在抛物面上发生马赫反射引起的. 这种条件下流场中会出现爆燃转 爆轰，起爆点分别分布在管道壁面、抛物反射面和第2点火区附近. 起爆机理分别为激波管 道壁面反射、点火诱导激波的抛物面反射和点火诱导的激波与第2点火区产生的爆燃波的相 互作用. 不同的点火和起爆过程导致了不同的流场波系结构，同时影响了爆轰波传播的波动 力学过程.     

气相爆轰波绕射流场显示研究

采用基于红宝石激光器（波长694.3 nm）的纹影系统,对气相爆轰波绕射进行了初步的流场显示研究。采用单色激光和合适半带宽（15 nm）的滤光片,有效地消除了爆轰波自发光对流场显示的影响。合理设置激光器同步控制系统的触发延时,得到了序列的爆轰波阵面纹影照片。结果表明:图像清晰地显示了爆轰波阵面的诱导激波、横波及化学反应区。当爆轰波在左尖点处绕射,受稀疏波作用,诱导激波与化学反应区明显分离,导致爆轰波衰减为爆燃。分离的诱导激波和折皱的化学反应区在纹影图上清晰可见。诱导激波在垂直支管右壁面反射,诱导二次起爆。畸变爆轰波在水平和垂直支管中均发生马赫反射。提高初压,爆轰波受分叉口几何属性的影响减小,畸变爆轰波在水平和垂直支管下游较易恢复为自持爆轰波。     

斜爆轰的胞格结构及横波传播

针对30楔角的驻定斜爆轰特性,选择在临界爆轰马赫数附近6.8、7.0与7.5等3种不同马赫数 来流状态进行数值分析。在马赫数为6.8、7.0状态下,在斜激波(obliqueshockwave,OSW)、斜爆轰波(obliquedetonationwave, ODW)与爆燃波交汇处形成的三波点后形成一道激波,在楔面上反射,并透过接触间 断面与爆轰波阵面产生的横波相互作用,使得下游流场发生扰动,形成不规则的胞格结构。斜爆轰波阵面产 生的横波呈现上游单向传播与下游双向传播同时并存的现象,对斜爆轰的稳定性产生了影响。     

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。     

正向爆轰驱动高焓激波风洞的数值模拟

对充满氢氧可燃气体、带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞进行了数值模拟。计算采用了欧拉方程,频散可控耗散差分格式（DCD）和改进的二阶段化学反应模型。在扩容腔附近采用二维轴对称计算模型,而在驱动段和被驱动段的直管道部分则采用一维计算模型。本文分析了爆轰波在管道中的传播、反射和绕射过程。计算结果表明扩容腔的尺寸对爆轰波的传播、反射、汇聚等起着决定性的作用;带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞能够得到平稳的持续时间较长的气流,提高了实验的精确度和可重复性。     

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

爆轰波与激波对撞爆轰状态演化机理研究

对当量比氢氧混合气体中爆轰波与激波的正面对撞过程进行了二维数值研究. 采用了二阶精度NND差分格式与改进的两阶段化学反应模型,并以数值x-t纹影图以及烟迹图记录了对撞过程. 数值研究表明,透射爆轰波受到膨胀影响首先会衰减,甚至产生局部解耦现象;然后由于三波点的碰撞又能再次重新耦合. 在爆轰波对撞过程中,由于燃烧不均匀性而产生的弱横波对爆轰胞格的形成起着重要作用.      

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.     

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。     

Detonation Initiation by Shock Reflection from an Orifice Plate

Results from an experimental investigation of the interaction of a “non-ideal” shock wave and a single obstacle are reported. The shock wave is produced ahead of an accelerated flame in a 14 cm inner-diameter tube partially filled with orifice plates. The shock wave interacts with a single larger blockage orifice plate placed 15–45 cm after the last orifice plate in the flame acceleration section of the tube. Experiments were performed with stoichiometric ethylene–oxygen mixtures with varying amounts of nitrogen dilution at atmospheric pressure and temperature. The critical nitrogen dilution was found for detonation initiation. It is shown that detonation initiation occurs if the chemical induction time based on the reflected shock state is shorter than the time required for an acoustic wave to traverse the orifice plate upstream surface, from the inner to the outer diameter. The similarity between the present results and those obtained from previous investigators looking at detonation initiation by ideal shock reflection produced in a shock tube indicates that the phenomenon is not sensitive to the detailed structure of the shock front but only on the average shock strength.This paper is based on work that was presented at the 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Montreal, Canada, July 31–August 5, 2005.     

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

On some conditions for detonation initiation downstream of a perforated plate

An experimental study is presented of the influence of detonation wave parameters and detonation product composition upstream of a perforated plate on the onset of detonation downstream. Experiments were performed in detonation tube 106 mm in diameter, separated into two sections by a perforated plate combined with a diaphragm. The tube was equipped with pressure sensors and a semi-cylindrical smoked foil. Hydrogen–air mixtures with different hydrogen concentrations were used upstream and downstream of the perforated plate. It is shown for mixtures containing 25 and 34 % of hydrogen in air that the onset of detonation downstream depends on detonation parameters upstream of the perforated plate. An increase in the initial pressure upstream of the plate leads to detonation initiation immediately downstream. The variation of mixture composition upstream of a perforated plate does not affect on detonation initiation downstream under the present experimental conditions.     

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。     

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。     

Periodic oscillation and fine structure of wedge-induced oblique detonation waves

An oblique detonation wave for a Mach 7 inlet flow over a long enough wedge of 30 turning angle is simulated numerically using Euler equation and one-step rection model.The fifth-order WENO scheme is adopted to capture the shock wave.The numerical results show that with the compression of the wedge wall the detonation wave front structure is divided into three sections:the ZND model-like strcuture,single-sided triple point structure and dual-headed triple point strucuture.The first structure is the smooth straight,and the second has the characteristic of the triple points propagating dowanstream only with the same velocity,while the dual-headed triple point structure is very complicated.The detonation waves facing upstream and downstream propagate with different velocities,in which the periodic collisions of the triple points cause the oscillation of the detonation wave front.This oscillation process has temporal and spatial periodicity.In addition,the triple point trace are recorded to obtain different cell structures in three sections.     

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。     

Steady,oblique, detonation waves

Normal and oblique, steady planar detonation waves have been theoretically and computationally examined using the Zeldovich, von Neumann, Döring model. Combustion is between a methane/hydrogen mixture and dry air assuming, first, complete combustion, then an equilibrium solution. Prescribed parameters are the upstream values for the pressure, temperature, and Mach number, the fuel/air equivalence ratio, a hydrogen/methane ratio, and the detonation wave angle. For a given upstream state, the angle varies from its normal wave value in increments of 10 ^o to non-integer wave angles that correspond to the Chapman-Jouguet state for complete combustion and for an equilibrium solution. For each solution, detailed results are provided for the upstream state, the state just downstream of the shock, and the two downstream states. Over 340 solutions in a report (Emanuel and Tuckness 2002) are provided, thereby establishing, for the first time, comprehensive tables that can be used to provide quick estimates, establish trends, and check CFD results. This paper describes the basis for the model, briefly outlines the analytical and numerical method, and discusses several insights.