基于液体碳氢燃料的旋转爆轰燃烧特性研究

为了探索液体碳氢燃料参与旋转爆轰所产生的不完全燃烧现象,采用守恒元与求解元方法,开展柱坐标系下的汽油/空气两相旋转爆轰燃烧室三维数值模拟研究,针对燃料喷注压力和反应物当量比对旋转爆轰流场结构及燃烧室性能的影响进行分析。分析结果表明:保持总当量比为1.00,随着燃料喷注压力的上升,燃烧室内燃料不均匀分布增强,产生局部富燃区,燃料在燃烧室未能完全反应,导致燃烧室燃料比冲下降;保持喷注压力不变,减小当量比,在贫燃工况下依然存在局部富燃区,导致燃烧室内出现不完全燃烧现象,降低燃烧室比冲性能。由此可知,反应物喷注方案对气液两相旋转爆轰的不完全燃烧有显著影响。     

Supersonic combustion and hypersonic propulsion

50 多年的努力和曲折经历证明了超声速燃烧冲压发动机概念的可行性. 本文对影响超燃冲压发动机技术成熟的主要因素作了扼要的分析. 高超声速推进的首要问题是净推力, 利用超声速燃烧获得推力遇到各种实际问题的制约, 它们往往互相牵制. 几次飞行试验表明高超声速飞行需要的发动机净推力仍差强人意, 液体碳氢燃料(煤油) 超燃冲压发动机在飞行马赫数5 上下的加速和模态转换过程, 成为高超声速吸气式推进继续发展的瓶颈. 研究表明, 利用吸热碳氢燃料不仅是发动机冷却的需要也是提高发动机推力和性能的关键举措, 燃料吸热后物性改变对燃烧性能的附加贡献对超燃冲压发动机的净推力至关重要.当前, 实验模拟技术和测量技术相对地落后, 无法对环境、尺寸和试验时间做到完全的模拟. 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD) 逐渐成为除实验以外唯一可用的工具, 然而, 超声速燃烧的数值模拟遇到湍流和化学反应动力学的双重困难. 影响对发动机的性能作正确可靠的评估.提出双模态超燃冲压发动机模态转换、吸热碳氢燃料主动冷却燃料催化裂解与超声速燃烧耦合、燃烧稳定性、实验模拟技术与装置、内流场特性和发动机性能测量、数值模拟中的湍流模型、煤油替代燃料及简化机理等研究前沿课题, 和未来5~10 年重点发展方向的建议.     

不同自燃模式对压力波动形成的影响

在内燃机中,HCCI(均值混合气压燃)爆震、汽油机常规爆震、汽油机超级爆震都是由未燃混合气自燃引起的化学能突然释放,从而产生振荡燃烧,但其压升率及压力振荡幅值却截然不同。为了阐明其中机理,根据上述的带震荡的燃烧压力波变化规律,提出以实验测得的放热率为基础的“能量注入法”,建立了3种自燃模式。通过对能量方程中的热源项进行分类改变,进而对3种自燃模式进行数值模拟、对其产生的压力波动进行比较分析。模拟结果表明,不同震荡特征的燃烧压力波源于不同的自燃模式,从而导致其宏观表现的压升率以及压力波振荡幅值有极大的差异。以放热率为基础的“能量注入法”能准确、快捷地探究内燃机燃烧室中压力波的形成与传播。     

弱约束条件下NEPE推进剂燃烧转爆轰研究

建立了推进剂燃烧转爆轰（ＤＤＴ）弱约束实验系统，利用探针和Ｘ光实验测量系统，研究了ＮＥＰＥ推进剂ＤＤＴ过程。实验发现，由燃烧到爆轰的转变过程中存在一未燃未爆区，该区域将ＤＤＴ流场分隔为爆燃区和冲击转爆轰（ＳＤＴ）区。分析了该高能推进剂的ＤＤＴ机理。     

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO_3和MgCl_2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl_2和NaHCO_3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl~-销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO_3~-,阳离子Na~+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg~(2+)。     

CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响

为了研究CO₂和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响，采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO₂稀释体积分数和超细水雾质量浓度，分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性，促进了火焰加速和爆炸超压增加，表明超细水雾不足能产生促爆作用，只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸；CO₂和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象，可以明显减弱火焰不稳定性，减小火焰传播速度，降低爆炸超压和平均压升速率，以及明显推迟超压峰值来临时间。     

弱约束条件下NEPE推进剂燃烧转爆轰研究

建立了推进剂燃烧转爆轰（ＤＤＴ）弱约束实验系统，利用探针和Ｘ光实验测量系统，研究了ＮＥＰＥ推进剂ＤＤＴ过程。实验发现，由燃烧到爆轰的转变过程中存在一未燃未爆区，该区域将ＤＤＴ流场分隔为爆燃区和冲击转爆轰（ＳＤＴ）区。分析了该高能推进剂的ＤＤＴ机理。     

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``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot ``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot ``自燃'是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象. 本文通过正庚 烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengood-Wu ``爆震累积临界值'概念(knock integral approach). 证明当反应H$\cdot"自燃"是燃料化学动力学控制的基本燃烧现象.本文通过正庚烷详细化学动力学机理和简化骨干机理相结合的研究方法,验证了Livengoodo-Wu"爆震累积临界值"概念(knock integral approach).证明当反应H·+O_2=O·+OH·的高活化能势垒被击穿,形成高浓度OH自由基,混合气释放出大量的热量,系统温度急剧升高,自燃发生.本文还介绍了"均质压燃、低温燃烧"技术的研究进展,燃料自燃过程的控制是现代内燃机技术的重要内容.     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

Recent progress and challenges in fundamental combustion research（燃烧基础研究的进展和挑战）

超过80%的世界的能源转换是由燃烧方法来实现的. 发展可利用替代燃料的清洁和高效的新型发动机是解决可持续能源发展的关键之一. 在燃烧研究领域,实现这一目标的挑战是要揭示从燃料分子到发动机的多尺度燃烧过程中化学反应和火焰动力学机理,发展高效,定量的数值模拟方法和开发新的燃烧技术. 本文从7个方面综述最近几年燃烧领域的基础燃烧研究的进展和挑战. 它们包括低温清洁燃烧的发动机技术,极限条件下的燃烧机理和现象,替代燃料和混合燃料模型,多尺度化学反应模拟方法,高压燃烧反应动力学,基础燃烧的实验方法,和先进测量技术. 本文首先介绍均值充量压缩点火（HCCI）,反应控制压缩点火（RCCI）以及增压燃烧等新型发动机的概念,评述燃料特性和低温燃烧反应过程对湍流燃烧和发动机的影响,讨论发展基础燃烧研究的必要性. 第二,综述燃料浓度分层燃烧,稀薄燃烧,冷炎燃烧,以及等离子体助燃等极限燃烧条件下的新的燃烧现象和火焰机制. 第三,以航空煤油和生物柴油为例来讨论建立模拟真实燃料和替代燃料的混合燃料模型的方法. 介绍活性基指数和输运加权的反应焓的概念并用来比较燃料的高温反应特性和评价燃料的分子结构对燃烧特性的影响. 第四,评述详细化学反应机理简化的方法. 介绍多时间尺度（MTS）的化学反应的模拟和动态关联性自适应机理简化（CO-DAC）的方法来提高详细化学反应机理的计算效率. 第五,讨论高压燃烧的火焰传播速度的实验测量结果以及高压燃烧化学反应机理所存在的问题,并分析高压燃烧的关键组分和反应路径. 第六,评述测量火焰速度和组分等基础燃烧实验方法和模型中的问题和误差来源. 介绍一些改进测量方法和提高测量精度的方法. 最后,介绍测量低温燃烧中的关键组分和自由基的测量方法和最新进展.      

密闭空间内爆炸载荷抑制效应实验研究

炸药在密闭空间内爆炸时的爆炸载荷与在敞开环境中有很大差异,在密闭空间内,TNT炸药的爆炸产物能够与周围空气充分混合并发生燃烧反应进而释放额外的能量,使密闭空间内的反射冲击波及准静态压力均明显增加。为探究不同气体环境对密闭空间内爆炸载荷的抑制效应,开展了3种不同药量的TNT分别在空气、水雾和氮气环境密闭空间内的爆炸实验研究,通过理论计算和实验对比分析了密闭空间内的爆炸载荷压力、温度及受载钢板试件响应特性。结果表明,水雾和氮气均能有效降低空间内的准静态压力和温度,对准静态压力的平均降幅分别为36.0%和51.7%,对温度的平均降幅分别为42.6%和40.3%;在水雾和氮气环境中的爆炸载荷作用下,钢板试件动态响应较空气环境中显著降低,其中160 g药量下,水雾和氮气环境中钢板试件的最终变形分别减少了15.9%和23.5%,氮气的减弱效果优于水雾;水雾和氮气均能及时有效地抑制封闭空间内的爆炸载荷,降低结构的损伤程度。     

含NaCl超细水雾对不同阻塞率管道内爆炸的抑制

针对长距离输气管道频发的爆炸问题，在自行搭建的水平透明管道平台中开展了含NaCl超细水雾对不同阻塞率管道爆炸特性的影响研究。通过对瓦斯爆炸压力、火焰传播速度等特征参数进行分析，探究含NaCl超细水雾与不同阻塞率泄压口对爆炸特性的影响规律。结果表明:仅在不同阻塞率（0、0.2、0.4和0.6）的泄压口作用下的管道瓦斯爆炸，爆炸超压随着管道阻塞率的增大而增强，阻塞率与火焰锋面传播至管道末端时间呈非线性关系，在阻塞率为0.2时火焰平均速度最快；两者共同作用下，雾通量为8.4 mL、质量分数为8%的NaCl超细水雾阻火抑爆效果最佳，最大爆炸压力下降幅度可达59.2%；含NaCl超细水雾直接作用于爆炸火焰从而抑制爆炸传播。     

在封闭结构中水对爆炸冲击波的削波、减压作用

采用数值方法计算了封闭矩形空间中布置在炸药周围的水对爆炸冲击波的削波作用以及对于气室压力的削减作用。计算结果显示 ,在各种不同的载荷密度和水 /药质量比参数条件下 ,冲击波峰值压力和气室压力均得到明显的削减。还计算了一个具有开口的模型隧道中水的削波作用 ,并将计算结果与实验测量数据进行了比较。     

N2双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验研究

为了在较低压力下获得较小粒径的细水雾,降低喷雾抑爆系统的运行成本,提高系统的适用性和抑爆效率,自行搭建了尺寸为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道实验平台。采用双流体喷嘴将N₂和细水雾送入试验管道,通过调节喷雾压力和喷雾时间开展了双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究,从火焰速度、瓦斯爆炸超压2个方面探讨双流体细水雾的抑爆有效性。实验结果表明:N₂双流体细水雾抑爆效果明显,可以减小瓦斯爆炸强度;随着喷雾时间的延长,爆炸火焰的速度峰值逐渐下降,爆炸超压峰值逐渐下降,平均升压速率逐渐降低;当N₂压力为0.4 MPa、喷雾时间为3 s时,速度峰值比不喷雾时下降60.39%,爆炸超压峰值下降37.76%。     

Experimental and numerical studies of micro PEM fuel cell

A single micro proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has been produced using Micro-electromechanical systems (MEMS) technology with the active area of 2.5 cm 2 and channel depth of about 500 μ m.A theoretical analysis is performed in this study for a novel MEMS-based design of a micro PEMFC.The model consists of the conservation equations of mass,momentum,species and electric current in a fully integrated finite-volume solver using the CFD-ACE+ commercial code.The polarization curves of simulation are well correlated with experimental data.Three-dimensional simulations are carried out to treat prediction and analysis of micro PEMFC temperature,current density and water distributions in two different fuel flow rates (15 cm 3 /min and 40 cm 3 /min).Simulation results show that temperature distribution within the micro PEMFC is affected by water distribution in the membrane and indicate that low and uniform temperature distribution in the membrane at low fuel flow rates leads to increased membrane water distribution and obtains superior micro PEMFC current density distribution under 0.4 V operating voltage.Model predictions are well within those known for experimental mechanism phenomena.     

乙醚云雾场燃爆参数实验研究

基于自行研发的20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统,对乙醚液体燃料瞬态雾化云雾场的燃爆参数进行实验研究。通过调节气动压力、设计喷雾剂量,得到了粒径相同、质量浓度不同的乙醚云雾燃爆超压、温度及点火延迟时间等燃爆参数。结果表明,在索特平均直径为22.90 μm的条件下:乙醚云雾与空气混合物的燃爆下限为80.26 g/m3,燃爆上限为417.34 g/m3;最大超压峰值为0.78 MPa,其出现在云雾质量浓度为278.23 g/m3时;最大爆温峰值为1 260 ℃,其出现在云雾质量浓度为228.29 g/m3时;点火延迟时间在燃爆极限范围内呈U型分布。     

Numerical Study of Ignition Process in Turbulent Shear-less Methane-air Mixing Layer

In this work, ignition process in a turbulent shear-less methane-air mixing layer is numerically investigated. A compressible large eddy simulation method with Smagorinsky sub-grid scale model is used to solve the flow field. Also, a thickened flame combustion model and DRM-19 reduced mechanism are used to compute species distribution and the heat release. Non-reacting mean and RMS axial velocity profiles and mean mixture fraction are validated against experimental data. Instantaneous mixture fraction contours show that the large bursts penetrate from the fuel stream into that of the oxidizer and vice versa and a random behaviour in the cross-stream direction. Flame kernel initiation, growth and propagation are analysed and compared with the experimental data. The ignition results show that the flame is not stable and blow-off occurs, but a more detailed investigation shows that local and short time flame stabilization exist during blow-off. During these local stabilization, heat release increased at the upstream edge of the flame. Most_upstream flame edge scalar analysis shows that the methane mass fraction has a dominant role in the local flame stabilization. OH, HO₂, CH₂O and heat release contours demonstration reveal that HO₂ and CH₂O mass fraction as well as the heat release reach a maximum on the border of the flame, but the maximum OH concentration is located in the middle of flame kernel.     

Flame spread over a thermally-thin solid fuel in zero gravity

An analysis of flame spreading over a thin solid fuel in zero-gravity environment is presented. The mathematical model includes two-dimensional Navier-Stokes' momentum, energy and species equations with a one-step overall chemical reaction. The fuel consumption rate is described by a second-order Arrhenius kinetics. The energy balance along the solid fuel consists of the conduction, convection and radiation. The surface radiative loss is found to be the dominant factor for flame extinction in the low oxygen mass fraction regime. The computed flame spread rate and standoff distance are in agreement with the experimental measurements by Olson [2]. The flame spread rate, the flame size and the solid pyrolysis length become greater as the oxygen mass fraction increases, but the standoff distance shows an opposite trend. The flame structures are illustrated graphically showing the interaction between the flow and thermal fields and the multidimensional feature in the flame front.     

Characterization of a water mist based on digital particle images

The characteristics of a water mist, such as the droplet size and velocity distribution, the water mist atomization angle and the breakup length were determined with a newly developed nonintrusive pattern method, particle image velocimetry and sizing (PIVS), which is mainly based on the manipulation of digital particle images. A series of experiments were conducted using a semiconductor laser (with wavelength 650 nm and about 35-50-mW power), a plano-convex cylindrical lens and some other lenses to produce a light sheet approximately 1-mm thick. The typical results of a water mist under different conditions are shown in this paper.