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.     

前向爆轰驱动变截面激波管特性的数值模拟

讨论的激波管由氢氧前向爆轰产生高压驱动气体、并配有收缩截面段,它能产生高焓超高速气流.对此进行了模拟.既对变截面角度的作用,两端截面积比的作用又对比正向反向爆轰有何不同效果做了探讨.正向爆轰时主膜处的收缩段产生的汇聚作用既加强主激波又产生反向激波,缓解了爆轰波阵面后紧跟着的稀疏波导致主激波衰减偏快的不利影响.当收缩角度在30°和45°之间时,主激波的强度较高,衰减较小;当β接近90°时在主激波传播过一小段距离之后,主激波后高温高速气流较均匀,且主激波的衰减最小,具有实用价值.驱动段与被驱动段的截面积比越大,主激波的强度越高,但是最初阶段衰减也越快.反向爆轰时产生的主激波衰减最缓,但是同样的主激波强度需要的驱动段与被驱动段初始压力比前向爆轰高1个量级.     

探索发展激波风洞爆轰驱动技术

发现了燃烧驱动激波管中入射激波马赫数异常升高的起因. 实验显示爆轰驱动能力强于燃烧驱动, 从而推动爆轰驱动技术的发展. 采用卸爆管消除爆轰波反射高压以及双爆轰驱动段全部消除爆轰波后的Taylor稀疏波, 使反向和前向爆轰驱动模式具有实用价值. 反向爆轰驱动技术还成功用来延长激波风洞试验时间.      

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.      

激波管氢氧爆轰驱动技术的发展进程

回顾了爆轰驱动的出现与认识过程及对其性能的观察结果. 采用卸爆管消除爆轰波反射高压和利用变截面缓解Taylor波有害影响, 使得反向和前向爆轰驱动模式能用来产生高焓高压试验气源. 双爆轰驱动段彻底消除了爆轰波后的Taylor稀疏波, 不仅提高了前向爆轰的驱动品质, 而且为进一步提高驱动能力开辟了新途径.      

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。     

激波风洞高低压段钢膜片破裂特性研究

激波风洞是用于高超声速飞行器气动外形设计和优化的常用地面试验装置,基于爆轰驱动技术,激波风洞能够在短时间(毫秒级)内产生高温、高压的驱动气体来模拟高超声速试验气流.主膜片位于激波风洞中的爆轰驱动段和激波管段之间,试验时膜片在爆轰脉冲压力下打开,膜片的打开状态和脱落情况对激波风洞气流品质有很大的影响. 同时,膜片也是形成激波的先决条件. 传统的风洞采用铝质膜片进行试验,在激波风洞中需要承压能力更强的膜片, 此时铝质膜片不再适用, 需要采用钢质膜片.因此, 对激波风洞中的钢膜片破裂特性进行研究很有必要.将数值计算结果与试验结果进行比较, 发现数值计算结果与试验结果吻合得比较理想,计算结果具有可靠性. 基于膜片的应力-应变模型, 建立了膜片打开的动力学模型,根据CJ爆轰理论, 采用有限元软件计算模拟了膜片破裂的过程,分析总结了膜片破裂的机制和力学特性规律.采用控制变量法对不同厚度和凹槽长度的膜片进行分析研究,得到了膜片破膜压力和有效破膜时间的变化规律. 在激波风洞试验中,根据膜片总破膜时间设计了适用于JF-12复现风洞的膜片参数.      

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...     

气云爆轰的一维模型

激波作用下，悬浮液谪在高温、高压和高速气流中变形、蒸发、剥离甚至破碎。雾化燃料经过一段延迟时间后点火燃烧释放出大量的能量。这些能量由局部爆炸波所携带，通过碰撞传递给引导微波，从而使气云爆轰波自持。文中提出的气云爆轰的一维模型考虑了上述基本过程，并从理论上推导了点火面和ＣＪ面的判据。通过计算，文中讨论了气云爆轰的松弛结构和影响ＣＪ爆速的因素，爆速的计算值与实验值基本相符。     

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.      

Oxyhydrogen combustion and detonation driven shock tube

The performance of combustion driver ignited by multi-spark plugs distributed along axial direction has been analysed and tested. An improved ignition method with three circumferential equidistributed ignitors at main diaphragm has been presented, by which the produced incident shock waves have higher repeatability, and better steadiness in the pressure, temperature and velocity fields of flow behind the incidence shock, and thus meets the requirements of aerodynamic experiment. The attachment of a damping section at the end of the driver can eliminate the high reflection pressure produced by detonation wave, and the backward detonation driver can be employed to generate high enthalpy and high density test flow. The incident shock wave produced by this method is well repeated and with weak attenuation. The reflection wave caused by the contracted section at the main diaphragm will weaken the unfavorable effect of rarefaction wave behind the detonation wave, which indicates that the forward detonation driver can be applied in the practice. For incident shock wave of identical strength, the initial pressure of the forward detonation driver is about 1 order of magnitude lower than that of backward detonation. The project supported by State Science and Technology Committee, National Natural Foundation of Science of China (19082012), Chinese Academy of Sciences and Project of National High Technology of China. In memory of academician Kuo Yonghuai's 90th anniversary.     

Advances in detonation driving techniques for a shock tube/tunnel

Early works on the detonation driven shock tube are reviewed briefly. High initial pressure detonable mixture can be used in backward-detonation driver when the buffer tube is attached to the end of the driver for eliminating the excessive reflected peak pressure. Experimental data showed that an improvement on attenuation of the incident shock wave generated by the forward driver can be obtained, provided the diameter of the driver is larger than that of the driven section and an abrupt reduction of cross-section area is placed just beyond the diaphragm. Also, it is clearly verified by a numerical analysis. An additional backward-detonation driver is proposed to attach to the primary detonation driver and on condition that the ratios of initial pressure in the additional driver to that in the primary driver exceed the threshold value, the Taylor wave behind detonation wave in the primary detonation driver can be eliminated completely.     

高超声速激波风洞研究进展

回顾了高超声速激波风洞的研制与发展,并依据高超声速实验研究对地面实验模拟技术的要求,分别介绍了应用轻气体、自由活塞和爆轰驱动技术研制的主要激波风洞的性能、特点和存在问题.重点介绍了爆轰驱动高焓激波风洞的3种主要运行模式:反向、正向爆轰驱动与双爆轰驱动. 根据这些运行模式的工作原理,分析了应用这些驱动技术产生的高温、高压气源的特点,探讨了不同驱动技术可能影响激波风洞性能的关键问题与解决方法.目前发展的激波风洞已经能够用于开展马赫数3$\sim$30的高超声速流动的试验模拟研究,但是试验气流的品质还不能满足高超声速科技研究的需求.为了获得可靠的实验结果, 通过不断改进、完善、提高激波风洞的性能,尽可能复现高超声速飞行条件是今后主要的研究方向.      

双驱动激波管稀疏波破膜技术研究

本文介绍了在双驱动激波管中运用稀疏波破膜的技术。在以压缩空气和氮气作实验气体的情形下,实验研究了中间段长度、稀疏波强度及中间段B膜的破膜压力（压差）对第二激波追韩第一激波的影响。实验结果表明：中间段的长短,显著地制约着前后两道激波的间隔;稀疏波强度及中间段B膜的破膜压力对稀疏波破膜时间及第二激小对反射稀疏波的追赶有重要影响。     

激波诱导火焰失稳与爆轰的条件研究

采用九阶WENO和十阶中心差分格式数值求解激波与火焰作用过程,考察了激波强度、火焰尺寸对激波与球形火焰作用过程的影响。结果表明,增大激波强度或火焰尺寸均可在流场中引发爆轰,但激波强度的影响更大,并且其引发的爆轰可使火焰迅速膨胀,放热率提高,从而影响燃烧特性;此外,爆轰波传播过程中会迅速消耗可燃预混气,合并原有的反射激波,并在流场中形成局部高压区,极大地改变流场结构。     

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。