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.     

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.      

带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟

基于三波理论和Whitham方法对带隔板装药爆轰波相互作用后发生的正规反射和非正规反射进行了理论分析,给出了爆轰波发生马赫反射时临界入射角和马赫杆增长角等参数的变化规律,提出了马赫杆高度的计算模型。基于凝聚炸药爆轰Jones-Wilkins-Lee(JWL)模型和冲击起爆的Lee-Tarver模型,利用有限元计算软件对带隔板装药爆轰波的传播过程进行了数值模拟。结果表明,发生马赫反射后,随着爆轰波的传播,马赫杆的高度不断增加。数值模拟结果与理论计算结果吻合较好,说明本文中采用的理论模型和数值模拟方法能够较准确地描述带隔板装药爆轰波马赫反射的传播过程。     

气相爆轰波在收缩管道中的传播

详细介绍了对气相爆轰波沿收缩管道传播时发生Ｍａｃｈ反射的系统研究。管道中安装了不同楔角的楔块，采用了多种气体组分按不同的初压分组进行实验。在烟薰玻璃片上记录到了爆轰波Ｍａｃｈ反射的三波点迹线，其两侧胞格尺寸和密度的变化清晰可见。推算了爆轰波从Ｍａｃｈ反射向规则反射转变的临界角。压力传感器记录了Ｍａｃｈ反射时楔面上压力和速度的变化。上述参数与空气激波Ｍａｃｈ反射作了比较。编制了爆轰波Ｍａｃｈ反射计算程序，检验了ＣＣＷ理论对于爆轰波传播的可用程度，理论值和实验值在楔角不大于３０时相当吻合。     

氢氧燃烧及爆轰驱动激波管

分析并观察了沿驱动段轴向分布多火塞燃烧驱动段的性能．提出主膜处同一管截面均匀分布三火花塞引燃的点火方法．用这种点火方法驱动产生的入射激波强度重复性较高,激波后气流速度、温度和压力的定常性亦大大改善,可满足气动试验实际要求．提出在驱动段尾端串接卸爆段来消除爆轰波反射高压,从而可使反向爆轰驱动段用来产生高焓高密度试验气流．这种反向爆轰驱动产生的入射激波重复性高,激波衰减弱．在主膜处的收缩段产生的反射波可缓解爆轰波后跟随的稀疏波的不利影响,从而使前向爆轰驱动具有实用性．在产生的入射激波强度相同条件下,前向爆轰驱动所需的爆轰驱动段可爆混合气初始压力可较反向爆轰低近一个量级．     

基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明：对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 k Pa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。     

可燃气体中激波与障碍物作用在下游形成爆轰波的数值研究

对平面激波和单个矩形障碍物作用的过程进行了数值模拟,研究了反射产生的上行爆轰波在下游可燃气体中形成爆轰波的过程。数值结果表明,下游爆轰波形成过程主要有2种模式:爆轰波直接绕射和绕射波在上壁面反射,这和已有的实验结果是一致的。通过研究下游爆轰波的形成过程受入射激波马赫数、混合气体的压力和管道尺度的影响,分析了上游爆轰波向下游传播的波动力学过程,讨论了2种形成过程的作用规律和控制因素,阐明了下游爆轰波的形成规律。     

激波在带扩容室的变截面管中传播和消波效果的数值分析

在利用实验结果验证程序的基础上,对激波在具有复杂结构管道内的传播特性进行了数值模拟,比较了不同入射激波条件和特征尺寸对扩容室消波效应的影响,并考虑了二维(轴对称、平面)模型和三维模型的影响。计算结果表明,同一尺寸的扩容室对不同马赫数入射激波的消波效果是相近的,扩容室特征尺寸不同则消波效果差别很大。     

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.     

弯管内爆轰波传播的流场显示和数值模拟

采用激光纹影系统拍摄了爆轰波在不同位置的流场照片. 用二阶附加半隐的龙格- 库塔法和五阶WENO格式 分别离散欧拉方程时间和空间导数项，用基元反应来描述爆轰化学反应过程，获得了压力、 温度、典型组元质量分数分布及数值胞格结构和爆轰波平均速度. 结果表明：受壁面稀疏波 和压缩波影响，爆轰波阵面发生畸变. 但由于弯管曲率半径较大，未出现爆轰波熄灭. 靠近 凹壁面的激波强度大于凸壁面侧，且凹壁面侧的反应区宽度较凸壁面侧要窄. 弯管出口处的 三波点数目较入口处减少，爆轰波衰减. 在出口直段，受扰动的爆轰波可恢复为自持爆轰波. 爆轰波流场、胞格结构、平均爆轰波速度的计算和实验结果定性一致.     

可燃介质中飞行圆球诱导斜爆轰的流场结构

基于带化学反应的二维轴对称Euler方程,利用带有Superbee限制函数的波传播算法,对氢/氧/ 氮预混气中飞行圆球诱导斜爆轰进行了数值模拟。结果表明,在达姆科勒数Da略大于临界情形时,圆球诱导 的驻定爆轰是一个由强过驱斜爆轰、弱过驱斜爆轰、反应激波和惰性激波组合而成的复合结构。波后的圆球 绕流流场内存在2个亚音速区和1个超音速区。在圆球背风表面,还形成了第2道斜激波。     

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.     

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。     

环形激波绕射、反射和聚焦流场的间断有限元模拟

采用间断有限元方法对环形激波在圆柱形激波管内绕射、反射和聚焦流场进行了数值模拟。将二维守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,并对环形激波绕后台阶流动进行了数值计算。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉运动激波在圆柱形激波管内传播的复杂流场结构;在聚焦点附近,数值解具有较大的梯度变化,表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力,在聚焦点附近不会产生振荡或抹平间断现象。     

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象,在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值,构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明,该方法具有高精度、基本无振荡的特点,能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好,相对误差小于1.1%。     

激波绕射碰撞加速诱导爆轰的数值模拟

基于单步化学反应的Euler方程和对激波(爆轰波)、接触间断具有良好捕捉效果的Roe/HLL混合格式以及自适应网格技术,模拟了激波在方形管中与方块障碍物相互作用,并发生绕射碰撞来诱导爆轰的过程.结果表明,弱激波在绕经方块时,形成上、下绕射激波并在方块尾部发生碰撞,生成局部高温高压点,可加快爆轰的形成;而当管内阻塞比超过...     

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。     

Dynamic characteristics of spherically converging detonation waves

The spherically converging detonation wave was numerically investigated by solving the one-dimensional multi-component Euler equations in spherical coordinates with a dispersion-controlled dissipative scheme. Finite rate and detailed chemical reaction models were used and numerical solutions were obtained for both a spherical by converging detonation in a stoichiometric hydrogen-oxygen mixture and a spherically focusing shock in air. The results showed that the post-shock pressure approximately arises to the same amplitude in vicinity of the focal point for the two cases, but the post-shock temperature level mainly depends on chemical reactions and molecular dissociations of a gas mixture. While the chemical reaction heat plays an important role in the early stage of detonation wave propagation, gas dissociations dramatically affect the post-shock flow states near the focal point. The maximum pressure and temperature, non-dimensionalized by their initial value, are approximately scaled to the propagation radius over the initial detonation diameter. The post-shock pressure is proportional to the initial pressure of the detonable mixture, and the post-shock temperature is also increased with the initial pressure, but in a much lower rate than that of the post-shock pressure. Zonglin Jiang is presently a visiting professor at McGill University, Canada.     

矩形凹槽管道中激波传播的数值研究

基于二维Euler方程,结合五阶加权基本无振荡(weighted essentially nonoscillatory,WENO)格式以及自适应网格加密(adaptive mesh refinement,AMR)技术对入射激波在矩形凹槽管道内传播过程进行了数值模拟。数值结果清晰地显示了入射激波传播过程中与多个矩形凹槽作用以及在凹槽内变化的整个过程,且与已有的实验结果吻合较好。另外,结果还揭示了入射激波与单个凹槽作用时,会发生绕射产生膨胀波,还会发生碰撞从而诱导反射激波。膨胀波会导致入射激波压力降低,而反射激波则导致其升高,但膨胀波的影响占主导作用,因而入射激波波阵面强度出现振荡下降。