低稀释度条件下乙烯点火特性的激波管研究简

在激波管中利用反射激波后高温环境加热燃料,以燃料点火过程中氢氧自由基特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志,在温度范围800 1 650K,压力0.2MPa, 0.7MPa, 1.2MPa,化学当量比为0.5, 1, 2,O₂ 浓度为空气含量20% 的条件下,进行了C₂H₄/O₂/Ar 混合气在低稀释度条件下点火特性的实验研究. 获得了乙烯点火延时随温度、压力、化学当量比、燃料以及氧化剂浓度等参数变化的拟合关系式. 对乙烯点火转爆轰现象进行了初步观察,考察了初始温度对乙烯点火特性以及点火转爆轰的影响.     

RP-3航空煤油点火特性研究

在预加热到135℃的激波管反射激波后5区,以点火过程中OH自由基在306.5nm处特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志,进行了RP-3航空煤油点火特性的实验研究.实验温度范围为800～1450K,当量比为0.5,1,1.5,压力为0.05,0.1,0.2MPa,O₂的摩尔浓度为空气含量20%.实验获得了低压条件下（0.05,0.1,0.2MPa）RP-3航空煤油点火延时与点火温度﹑压力﹑当量比以及煤油和氧气浓度的依赖关系.将低压实验结果与高压（0.55,1.1,2.2MPa）条件下煤油点火特性进行了对比.结果显示,当量比对煤油点火特性的影响存在一个临界温度.在临界温度以上的高温区,煤油点火延时随当量比增加而增长;在临界温度以下的低温区,煤油点火延时随当量比增加而缩短;这一临界温度随点火压力的降低而升高.采用3种煤油燃烧反应动力学机理对煤油点火过程进行了动力学数值模拟,并与实验结果进行了对比.结果显示,Honnet等提出的煤油反应机理在高压（2.2MPa）下与实验结果吻合得很好,而在低压下有一些差异.对不同压力条件下的点火过程进行敏感度分析表明,三体反应H+O₂+M=HO₂+M在高压时对煤油点火起轻微抑制作用,而在低压时对煤油点火起促进作用.      

STUDIES ON THE AUTOIGNITION CHARACTERISTICS OF RP-3 AVIATION KEROSENE

在预加热到135℃的激波管反射激波后5区,以点火过程中OH自由基在306.5nm处特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志,进行了RP-3航空煤油点火特性的实验研究.实验温度范围为800～1450K,当量比为0.5,1,1.5,压力为0.05,0.1,0.2MPa,O₂的摩尔浓度为空气含量20%.实验获得了低压条件下（0.05,0.1,0.2MPa）RP-3航空煤油点火延时与点火温度﹑压力﹑当量比以及煤油和氧气浓度的依赖关系.将低压实验结果与高压（0.55,1.1,2.2MPa）条件下煤油点火特性进行了对比.结果显示,当量比对煤油点火特性的影响存在一个临界温度.在临界温度以上的高温区,煤油点火延时随当量比增加而增长;在临界温度以下的低温区,煤油点火延时随当量比增加而缩短;这一临界温度随点火压力的降低而升高.采用3种煤油燃烧反应动力学机理对煤油点火过程进行了动力学数值模拟,并与实验结果进行了对比.结果显示,Honnet等提出的煤油反应机理在高压（2.2MPa）下与实验结果吻合得很好,而在低压下有一些差异.对不同压力条件下的点火过程进行敏感度分析表明,三体反应H+O₂+M=HO₂+M在高压时对煤油点火起轻微抑制作用,而在低压时对煤油点火起促进作用.     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中，组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器，采用C₂H₂/O₂/Ar反应，数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性，并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性，产生漩涡，加速能量、质量的交换。流场产生热点，促进火焰速度加快，追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内，前导激波速度越大，碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响

含氢多组分燃料由于其优良的燃烧特性逐渐成为研究关注的重点。为了对掺氢燃料的爆轰特性作进一步的研究，设计了长3 000 mm、管径30 mm的圆柱形半封闭燃烧室，对不同初压下的CH₄-2O₂、6CH₄-H₂-12.5O₂、3CH₄-H₂-6.5O₂（掺氢比分别为0%、5.1%、9.5%）3种预混合气的爆轰特性进行了实验研究，并采用烟熏膜、离子探针和压力传感器分别探测胞格结构、火焰位置和内部压力。结果表明，甲烷/氧气掺氢后可以有效提高爆轰波的传播速度，且掺氢浓度越高，传播速度越快；同时，氢气的掺入可减少管道出口处的速度亏损并在初始压力较低时加速火焰和激波的耦合，降低胞格尺寸，提高爆轰敏感性。     

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/固/液三相混合物燃烧转爆轰过程实验研究

利用多相燃烧爆炸实验系统,通过高压喷粉/喷雾以及高能点火等过程,对化学当量比条件下3种 典型燃料空气炸药,即硝基甲烷/铝粉/空气、硝酸异丙酯/铝粉/空气、乙醚/铝粉/空气三相混合物的燃烧转爆 轰过程进行了实验研究,同时根据实验结果对比了3种三相混合物的燃爆性能。得到了三相悬浮混合物燃烧 转爆轰过程的宏观规律以及三相混合物燃爆性能随质量浓度变化的规律。     

模拟高原环境条件下C5-C6燃料的爆轰特性研究

针对军事上使用的碳氢燃料C₅-C₆,借助自行设计的立式爆轰管装置,通过改变管体内初始环境温度和压力,研究当温度低于常温,压力小于一个大气压时此种碳氢燃料的爆轰性能,得到爆轰参数分别随初始温度和初始压力变化的规律,并将实验数据与常温常压条件下的数据相对比。结果表明:在常温条件下,环境初始温度对燃料爆轰参数的影响远小于初始压力的影响,当环境初始压力下降至常压的一半时,燃料的爆轰状态接近临界爆轰状态。研究成果可为云爆武器在高原条件下使用的性能预计提供实验数据补充和支持。     

硅烷对JP10和煤油点火特性影响的激波管研究

在JP10和煤油点火特性激波管实验的基础上，实验研究了硅烷对这两种典型高碳数碳氢燃 料点火特性的影响. 在预加热到70 C的激波管上，采用缝合运行条件获得了近7ms 的实验时间，将实验延伸至低温区. 采用气相色谱分析和高精度真空仪直接测定压力相结合 的方法，确定了燃料气相浓度，解决了高碳数碳氢燃料点火激波管实验时由于管壁吸附影响 燃料气相浓度确定的困难. 实验记录了点火过程中OH自由基发射强度变化，并作为判断点 火发生的标志. 实验温度范围880~1800K, 压力范 围0.16~0.53\,MPa. 当硅烷加入量约为燃料的10%~15%(摩尔比)， 质量比为2%~3%, 观测到明显的点火促进作用. 该研究对超燃研究中发动机设计、 燃料选择等方面具有直接的工程意义，也可用于检验燃烧化学动力学模型的合理性.     

Ar稀释C2H2+2.5O2预混气高频爆轰的端面结构

为了研究预混气爆轰的内部结构,对不同浓度的Ar稀释的C₂H₂+2.5O₂预混气进行爆轰实验和数值计算。首先,在内径63.5 mm的管道内进行爆轰实验,使用烟熏玻璃记录了不同初始压力下C₂H₂+2.5O₂预混气的爆轰端面结构。使用数字化图像处理技术来分析烟熏玻璃记录的三波点轨迹,以减少人为误差。然后,观察实验结果并描绘规则图形,图像识别程序经过验证后,用于分析实验结果。从端面结构中对封闭图形进行圆的拟合,用胞格半径方差来表示胞格大小的均匀程度;用相邻胞格圆心距的方差来表示胞格分布的规则程度。通过对比不同Ar稀释下半径方差和圆心距方差随胞格数量的变化,给出不同浓度Ar稀释下C₂H₂+2.5O₂预混气的端面胞格尺寸及分布规律,随着Ar浓度的升高,预混气端面胞格分布更加规律。     

气相爆轰波近失效状态的传播模式

选用五种碳氢混合气体,采用高压电火花起爆的方法,利用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,研究临近失效状态时爆轰波在管道内的传播模式。实验是在自行研制的爆轰管道中进行的,其包括驱动段及内径分别为1.5、3.2、12.7 mm三种规格的测试段。实验结果再次验证了爆轰波在管道内传播时可以有六种不同的传播模式:稳态爆轰、快速波动爆轰、结巴式爆轰、驰振爆轰、低速爆轰和爆轰失效。其中C₂H₂+2.5O₂+70% Ar、C₂H₂+2.5O₂+85% Ar两种组分混合气体（具有较低活化能）,在爆轰波传播过程中只有稳态、快速波动和失效三种模式;而C₃H₈+5O₂、C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂三种组分混合气体（具有较高活化能）在传播过程中出现六种不同模式。上述结果表明,除气体组分、初始压力等因素外,混合气体的活化能可能对爆轰波在管道内的传播状态也有影响。     

惰性气体对C3H8可燃下极限的影响

为探究CO₂、N₂和Ar对C₃H₈可燃下极限的影响,在5 L爆炸容器中测定了C₃H₈在O₂/CO₂、O₂/Ar、O₂/N₂三种气氛下的可燃下极限。首先分析了稀释气浓度、稀释气种类和氧气浓度对C₃H₈的可燃下极限的影响。结果表明,在O₂/CO₂气氛下,稀释气浓度变化对C₃H₈的可燃下极限影响最大,对O₂/Ar的影响次之,对O₂/N₂的影响最小。在相同稀释气浓度条件下,CO₂对C₃H₈可燃下极限的影响最大,N₂的影响次之,Ar的影响最小。随着O₂浓度的上升,O₂/CO₂气氛的可燃下极限出现较为明显的下降,O₂/N₂和O₂/Ar的氛围的可燃下极限平缓上升。通过建立能量平衡方程分析了稀释气的比热和辐射效应对可燃下极限的影响。结果表明,混合气比热的改变是C₃H₈可燃下极限改变的主要原因,辐射热损失是影响可燃下极限的重要因素。     

孔板扰动对爆轰波胞格结构特性影响的实验研究

实验采用稳定预混气2H₂+O₂+3Ar及不稳定预混气C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂，在圆形爆轰管内通过烟膜手段记录了爆轰波的胞格结构，得到了胞格尺寸与初始压力之间的关系式；研究了胞格结构在扰动上下游的变化过程，分析了胞格不稳定性对胞格结构特征的影响，获得了爆轰波经过扰动后重新恢复至平衡状态的特征尺度。结果表明:爆轰波经过扰动后，对于稳定预混气，在扰动下游主胞格结构变得不规则，没有出现次生胞格；对于不稳定预混气，扰动下游伊始爆轰波的次生模态被抑制，由于爆轰波自身的不稳定性，随后出现了局部爆炸点及精细胞格结构；爆轰波在扰动下游传播了一段距离后恢复至平衡状态，该长度在8～15倍之间的胞格尺寸范围内变化，并且随初始压力的变化趋势并不明显。研究结果反映出爆轰波经过孔板扰动后恢复至平衡态所需的长度与爆轰波流体动力学厚度相当。     

管道内全阻塞障碍物对气相爆轰波传播特性的影响

建立了长2 800 mm、内径为50 mm的圆管内爆轰波传播实验装置,采用光电二极管探测火焰锋面以获得爆轰波的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波的胞格结构。通过在管道不同位置设置阻塞率为1的聚丙烯薄膜,研究不同初始压力下不同氩气稀释浓度的C₂H₂+2.5O₂+nAr预混气体爆轰波在通过全阻塞障碍物前后传播速度及胞格结构的变化。结果表明,气相爆轰波在达到稳态爆轰后,在通过全阻塞薄膜障碍物的过程中会产生2种不同的传播形式:速度亏损和爆轰失效。气相爆轰波穿过不同区域的传播过程可以分为3个阶段:稳态传播阶段、速度亏损阶段或爆轰失效阶段、过驱爆轰阶段。     

点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响

利用矩形截面激波管研究点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响。采用压电传感器记录测点压力时间历程，采用光谱仪和光电倍增管记录自发光强时间历程，以压力、总自发光强与·OH和·CH自由基特定能级发射光强等信号判定是否发生自点火，给出自点火过程的时间起始点和终止点，得到了不同点火准则和稀释气体对应的乙烯/氧气/氮气和乙烯/氧气/氩气点火延时。结果表明:相同工况的乙烯点火延时测量数据相对误差约为15%，数据验证了本文实验和测量方法可靠性。针对当量比为1.0、压力为0.2 MPa，得到了温度范围为905～1 489 K，稀释气体的摩尔分数为75%氮气和75%氩气时的乙烯点火延时，给出点火延时和温度拟合的Arrhenius型表达式。不同点火准则会影响所测点火延时数据，但多次测量结果确定的点火延时和温度变化规律近似相同。不同稀释气体对激波管自点火流场的影响表现为和流场均匀性以及混合物比热相关。相同工况的乙烯/氧气/氮气点火延时大于乙烯/氧气/氩气点火延时。高温区和低温区的乙烯/氧气/氩气点火延时与温度的拟合关系不同，转折温度约为1 121 K。     

大型水平爆轰管中悬浮铝粉爆炸过程的实验研究

铝粉的燃烧与爆轰性能是粉尘爆炸领域研究的热点.利用长29.6m,内径199mm,配有40套喷粉扬尘系统的水平爆轰管,在40J电火花点火条件下,实现了悬浮铝粉-空气混和物火焰加速、爆燃、爆轰及其转捩过程,测得了爆炸波传播过程中的压力信号,并且观察到了爆轰波的稳定传播现象.实验结果表明,当铝粉浓度为300 g/m3时,在距离点火端10.15m(长径比L/D=51)处发生了DDT,测得的爆轰波传播过程中管内的最大爆速为1840m/s,最大峰值超压为10.5MPa.铝粉尘爆炸波在爆轰管内的传播过程可分为爆燃段、爆燃转爆轰(DDT)、爆轰增强以及稳态爆轰四个阶段.     

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。     

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．     

高浓度氩气稀释气体爆轰波临界管径和临界间距关系

建立圆管及环形管道系统研究临近极限下爆轰波在管道内传播失效机理。选用C₂H₂+2.5O₂+70%Ar气体,采用光纤探针测量爆轰波在管道内传播速度,用烟迹法记录管道内爆轰波胞格结构。结果表明:初始压力远大于爆轰极限压力时,爆轰波在管道内以稳定速度传播;随着初始压力的减小,爆轰波速度逐渐降低;当初始压力一定时,爆轰波速度随着管道尺寸的减小而逐渐减小;当初始压力达到临界压力时,爆轰波在进入到管道内后其速度会逐渐衰减直至爆轰波完全失效。对于不同几何尺寸的圆管与环管,通过引入无量纲参数d/λ及w /λ(d为圆管管径,w为环管间距,λ为爆轰胞格尺寸)得出,爆轰波在管道内传播的临界圆管直径为环形间距的2倍,与理论模型结果相吻合,验证了稳态气体基于爆轰波波面曲率的失效机理。     

初始压力和狭缝宽度对毫米量级狭缝内爆轰起爆距离的影响

为获得狭缝内爆轰起爆距离的影响因素,分别在高度为1.0 mm,宽度为10、20、30 mm的狭缝爆轰管内,对不同初始压力下(p₀=5.0~50.0 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体进行了单次爆轰性能实验研究。根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置,分析了初始压力和狭缝宽度对爆轰起爆距离的影响。结果表明:(1)p₀=21.0~30.0 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大而逐渐缩短;(2)p₀=35.0~42.5 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大先缩短后增大,在p₀=45.0~50.0 kPa时起爆距离随着狭缝宽度的增大基本保持不变;(3)3种狭缝宽度下,量纲一起爆距离随量纲一初始压力的变化曲线差异较大。