定态火焰在可燃预混气中产生的压力波

火焰在可燃预混气中传播时，在火焰面前方产生一道压力波。忽略点火及火焰的初期加速，仅考虑火焰达到稳定传播速度的情况。用Ｏｐｅｎｈｅｉｍ自相似解分析流场，得到相应的控制方程及定解条体；用自适应步长的四阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法对方程积分，讨论了流场压力波结构及弱激波近似声波解；认为火焰为间断面，能量释放在火焰面后瞬时完成。利用火焰面两侧的能量关系，得到了火焰位置、燃速及对应Ｃ－Ｊ条件的火焰位置、Ｃ－Ｊ燃速。     

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。     

湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用

在实验的基础上,研究了管内瓦斯爆炸过程中湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用.研究结果表明,管道面积突变对瓦斯爆炸过程中湍流的产生具有重要影响.管道面积突变(变大、变小)时,产生附加湍流,并使下游火焰气流的湍流度增加,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,并可诱导激波的产生.在80×80mm等截面直管中(瓦斯浓度为理论上最猛烈的爆炸浓度9.5%),瓦斯爆炸最大火焰传播速度为40.8m/s,管内各点均为压力波信号,当管道加装一Φ300mm圆管形成面积突扩11倍和突缩11倍两断面后,面积突扩处(L/D=22)火焰速度增大5.05倍,达到64.4m/s,面积突缩处(L/D=28)火焰速度为156.0m/s, 增大4.55倍,并在L/D=48倍处形成激波(超压1.6976atm、波速416.7m/s),在L/D=98倍处,激波强度最大.在面积突变管内加装加速环可使瓦斯爆炸过程中湍流度加剧,火焰的传播速度更高,激波生成的位置(L/D=28)、最强点位置(L/D=70)均前移,激波强度增大.研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸,减轻瓦斯爆炸的威力具有一定的指导意义.     

5.12汶川大地震诱发大型崩滑灾害动力特征初探

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获 取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波 理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波, 以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受 初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起 实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分 析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则 疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为 过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展 极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波 区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.     

爆轰波与激波对撞的实验研究

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.      

可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究

我们成功地研制了长为6.6m、内径为100mm的柱形爆炸激波管。利用此激波管我们研究了氢气和氧气混合物的爆炸特性。研究表明:氢气和氧气混合物的可爆性极限为25％H2至84％H2（体积比）;混合物起爆的临界初始压力P0c近似与混合物的浓度无关。我们还用石英传感器技术测量了混合物从爆燃转变为爆轰的过程（DDT）,确定了爆炸速度、爆炸压力与混合物初始压力P0的关系。爆燃波速度D和压力P快速增加,并且DG0（声速）时,爆燃波能转变成爆轰。爆燃波速度D和压力P衰减时,爆燃波将熄灭。氢氧混合物浓度接近上限时,爆燃向爆轰转变时的爆轰呈过激励状态,然后逐渐趋于正常爆轰。C-J理论可近似预估气体爆轰参数。     

铝粉湍流火焰诱导激波现象的实验研究

粉尘湍流火焰诱导激波问题是工业灾害研究中的重要课题．本文在自行设计的大型卧式燃烧管内，对铝粉火焰诱导激波现象进行了实验研究，测试了湍流火焰阵面前压缩波到激波的转捩过程，并将实验结果与数值模拟结果进行了比较．     

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。     

不同当量比下喷管对旋转爆震特性的影响研究

为研究不同当量比下喷管构型对旋转爆震特性的影响，以煤油预燃裂解气为燃料，氧气体积分数为30%的富氧空气为氧化剂，开展了无喷管、收敛喷管、扩张喷管和收敛扩张喷管等工况下旋转爆震特性实验研究。实验发现，当量比为0.73～1.30时旋转爆震可稳定工作。随着当量比和喷管构型的变化，爆震波出现了单波、不稳定的对撞双波和稳定的对撞双波等3种传播模态。喷管构型对模态转换和旋转爆震波速有重要影响，收敛和收敛扩张喷管会促使新波头的产生，导致爆震波主要以双波对撞模态传播；而扩张喷管工况下，爆震波主要以单波模态传播。收敛喷管和收敛扩张喷管会使得波速最大值偏离化学恰当比，收敛扩张喷管可以提升爆震波速。     

爆轰波透射孔栅形成的高速爆燃波的结构和行为

以实验为主,研究光滑直管中乙炔氧气爆轰波透射孔栅形成的高速爆燃波结构和行为。实验以基于纹影平台的高速转鼓摄影记录孔栅下游近场内初始爆燃波的结构和发展,并以压力传感器跟踪其后继走向。研究发现,高速爆燃波是前驱激波和火焰的组合结构,随着初始压力的提升,它分别表现为紧随于前驱激波的层流和湍流燃烧火焰。入射爆轰胞格尺度小于或与孔栅扰动尺度相当时,湍流燃烧在下游近场迅速形成;层流结构的爆燃波通常无法抵制背景稀疏波而走向衰弱,而湍流燃烧结构可发生加速和向爆轰的转捩;他们之间存在一个不稳定的临界状态,高速爆燃波得以以0.5~0.6倍CJ爆轰速度传播较长距离,这一状态对应于双间断Rankine-Hugoniot关系的等容燃烧解。     

Combined effects of vortex flow and the Shchelkin spiral dimensions on characteristics of deflagration-to-detonation transition

The objective of this investigation was to achieve the shortest possible distance for the deflagration-to-detonation transition (DDT) for a pulse detonation engine without losing the engine’s simplicity. The effects of rapid flame propagation, rotating velocity, and Shchelkin spiral dimensions in the vortex flow (VF) on DDT characteristics were examined. A VF field was established in the ignition and transition domains of a detonation tube using a VF-type injector. The flame propagation in the ignition domain was observed by a high-speed video camera and the detonation propagation process was observed by measuring the pressure and ionization current in the detonation tube. The DDT distance in the VF could be shortened by 50–57 % of that in the counterflow by optimizing the VF and the Shchelkin spiral dimensions. The shortening effect became remarkable as the rotating velocity increased. The governing factors for this effect are considered to be the formation of an area of higher energy density in the ignition domain of the tube, as well as flame acceleration due to rapid flame propagation in the VF and turbulence promotion near the tube wall by the rotating velocity and the Shchelkin spiral in the transition domain of the tube. However, the combined effects of VF and the Shchelkin spiral on the shortening of the DDT distance were deteriorated in very strong turbulence. It is necessary to optimize the rotating velocity and dimensions of the Shchelkin spiral to achieve the shortest possible distance of DDT in the VF.     

塑料导爆管在燃烧转爆轰过程中的火焰结构及爆轰波生成机理

本文系统地研究了塑料导爆管从点火起至稳定爆轰时各个阶段的管内的火焰结构及火焰传播速度,分析了爆轰波的生成过程。高速扫描摄影技术证实了塑料导爆管在电火花引爆下确实存在燃烧转爆轰(DDT)过程,并显示出火焰阵面及火焰内部结构的多种变化性。发现,在燃烧阶段有一个暗区存在于火焰之中,并且火焰只是集中在管中心。清楚地观察到管内有气、固二相流动。证实了铝粉的敏化作用。在实验基础上,本文提出了一个比较符合实际情况的DDT模型及爆轰波结构。     

A high-speed photographic study of the transition from deflagration to detonation wave

Experiments were conducted to investigate the DDT process of the oxyhydrogen gas in the rectangular detonation tube of 3 m long. The repeated obstacle was installed near the ignition plug and the effects of the obstacle on the DDT process were investigated. The behaviour of the combustion and detonation wave were visualized utilizing Imacon high-speed camera with the aid of Schlieren optics. As a result, DDT process was visualized, i.e. (i) multiple shock waves were induced by the expanding combustion wave, because the combustion flame played a role as a piston and compressed the unburned gases. (ii) The acceleration of the combustion wave was occurred and the distance between the shock wave and the combustion flame became shorter. (iii) Eventually, the local explosion was occurred and cause overdriven detonation wave to propagate at the velocity of about 3 kms⁻¹. An abridged version of this paper was presented at the 15th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems at Boulder, Colorado, from July 30 to August 4, 1995     

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.     

DDT in fuel–air mixtures at elevated temperatures and pressures

An experimental study was carried out to investigate flame acceleration and deflagration-to-detonation transition (DDT) in fuel–air mixtures at initial temperatures up to 573 K and pressures up to 2 atm. The fuels investigated include hydrogen, ethylene, acetylene and JP-10 aviation fuel. The experiments were performed in a 3.1-m long, 10-cm inner-diameter heated detonation tube equipped with equally spaced orifice plates. Ionization probes were used to measure the flame time-of-arrival from which the average flame velocity versus propagation distance could be obtained. The DDT composition limits and the distance required for the flame to transition to detonation were obtained from this flame velocity data. The correlation developed by Veser et al. (run-up distance to supersonic flames in obstacle-laden tubes. In the proceedings of the 4th International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions, France (2002)) for the flame choking distance proved to work very well for correlating the detonation run-up distance measured in the present study. The only exception was for the hydrogen–air data at elevated initial temperatures which tended to fall outside the scatter of the hydrocarbon mixture data. The DDT limits obtained at room temperature were found to follow the classical d/λ = 1 correlation, where d is the orifice plate diameter and λ is the detonation cell size. Deviations found for the high-temperature data could be attributed to the one-dimensional ZND detonation structure model used to predict the detonation cell size for the DDT limit mixtures. This simple model was used in place of actual experimental data not currently available. PACS 47.40.-x; 47.70.Fw This paper was based on work that was presented at the 19th Interna-tional Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Sys-tems, Hakone, Japan, July 27 - August 1, 2003     

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。     

正庚烷云雾爆轰特性的研究

本文从理论和实验上研究了正庚烷的云雾爆轰特性。实验中采用红外技术、传感器技术、烟膜技术分别测量了正庚烷云雾引爆的延迟时间tDDT,爆速D,爆压p和爆轰波阵面结构。在理论上提出了含有化学反应项的液滴燃烧模型,进行了正庚烷云雾爆轰过程的数值模拟。计算结果和实验基本符合。     

Effect of wall conditions on DDT in hydrogen–oxygen mixtures

Detonation in ducts is usually studied assuming adiabatic walls because of the high kinetic energy due to the incoming flow being supersonic. In the present work, numerical simulations of deflagration-to-detonation transition (DDT) using a detailed chemical reaction model are performed under adiabatic and isothermal boundary conditions in a tube with no-slip walls. The results show a local explosion driving DDT, which occurs near the tube wall in the case of an adiabatic wall, but close to the flame front in the case of an isothermal wall. Furthermore, to examine the effects of a turbulent boundary layer, a simulation using the Baldwin–Lomax turbulence model is carried out. In the case of the isothermal wall, there is again a local explosion near the tube wall, which leads to detonation. In summary, the present study confirms that the boundary conditions affect the transition to detonation and that the boundary layer is a key component of DDT.     

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象，研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台，由实验装置（加热装置、约束钢管、炸药）、压力测试系统、光纤测速系统组成；加热装置加热15 mm厚45钢钢板，峰值温度大于1 100 ℃，温升速率为85～95 ℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验，由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药，炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定；实测阵面压力约1 GPa，传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹，通过特征线方法获得冲击形成点，半定量给出冲击形成距离大于850 mm；并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值，实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较，可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰，其化学反应状态为爆燃。另外，采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型，都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力，为实验设计提供依据，但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。