爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4m的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。     

气相爆轰波传播过程中的自点火效应

基于基元反应模型和单步反应模型，对直管道中H₂-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟，揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间，并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明，胞格宽度与点火延迟时间成正比；爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知，爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配；当二者相匹配时，经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体，在短时间内实现了自点火，同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进，即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。     

粘性及热传导对于爆轰波的影响

对在满足化学当量比的氢氧混合气体中传播的一维和二维连续旋转爆轰波进行了数值模拟,以此检验粘性和热传导对爆轰波发展和结构的影响。模拟分别基于NS和Euler控制方程,采用二步化学反应模型,对流项采用5阶MPWENO格式求解,时间方向采用3阶TVD Runge-Kutta法,粘性项采用中心差分格式进行离散。结果表明:粘性和热传导不会对爆轰波流场的基本流场结构产生影响;在具体数值上,粘性和热传导的影响值在爆轰波、斜激波、接触间断等速度或温度剧烈变化处相对较大,但总体上其影响量均比爆轰波流场的步进值小三个量级。因此,在没有壁面效应的一维爆轰和二维连续旋转爆轰波流场中,粘性和热传导项作为很小的扰动存在,对爆轰波的流场结构和数值大小基本不会产生影响。     

铝粉/氢气/空气混合爆轰现象试验研究

混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应,具有复杂性和多样性.爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展,依赖对爆轰现象的深刻认识.文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验,将μm和nm量级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合,在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物.试验中观测到不同种类的混合爆轰波,包括双波面和单波面结构.通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析,阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响.粒径100 nm和1μm时,混合爆轰呈现单波面结构,对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加,铝粉点火释热开始于声速面之前.粒径20μm和40μm铝粉点火较慢,混合爆轰呈现出双波面结构,气相反应释热支持第一道波,而铝粉燃烧支持第二道波.粒径10μm时,测得爆轰波压力曲线是单波峰,峰值压力有大幅提高,但是爆速并没有增加.其本质是两波面距离很近的双波面结构,由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分.混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象,反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性,并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.     

气体-燃料液滴两相系统爆轰的数值模拟

用两相流体力学模型对气体 燃料液滴系统进行了研究。数值模拟了点火后两相系统爆轰波的发展过程，得到爆轰波的结构和参数。数值模拟结果表明气体 燃料液滴系统爆轰波有较宽的反应区，因而两相爆轰波的曲率对爆速的影响效应十分明显。进行了燃料液滴尺寸对爆轰波的结构和参数的影响的数值模拟。除了很小的液滴外，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间不能完全气化。随着液滴尺寸的增加，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间释放出的能量随之减少，爆轰参数也随之下降。     

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.     

临界爆轰的稳定条件和螺旋爆轰波

本文应用耗散结构热力学理论和微扰的方法,研究临界爆轰波对二维扰动的稳定性问题。在忽略粘性、热传导、浓度扩散、外力和交叉效应的情况下,作出了扰动在爆轰波结构内传播的稳定性判据。对Arrhenius反应率,当化学反应活化能E大于某一临界值E_c之后,对反应率随温度增加而增加的放热反应,临界爆轰波对二维扰动是不稳定的,扰动的振幅在反应燃烧区内随时间的增加而增长,直至扰动最后离开爆轰波结构进入波后产物区。当考虑了粘性的影响之后,扰动振幅的增长和衰减依赖于扰动本身的频率,在反应放热量超过某临界值后,频率愈小亦即扰动波长愈长的扰动振幅,随时间增长愈快,以致最长波长的扰动增长掩盖了其它波长的扰动,或者只有最长波长的扰动振幅维持不变,其它波长的扰动振幅都逐渐衰减,最后形成有规则的螺旋爆轰波。所得结果当忽略化学反应以及粘性对扰动传播相速度的微小影响之后,结论与N.Monson和J.A.Fay等所作的声波理论结果相一致,比较成功地解释了螺旋爆轰的一些实验现象。     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率，近年来引起人们的关注。其中，点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的，本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法，并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明，燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显，它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法，本文对燃烧室初始流速为360 m/s，喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰，得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s，频率为5 347.6 Hz。此外，燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标，文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

定常爆轰数值模拟中化学反应率与人为粘性的相关性

本文给出了用爆速燃烧、Cochran及Forest Fire三种不同反应率函数对正常爆轰波进行数值模拟时,分别满足的唯象条件。应用Cochran或ForestFire反应率时,适当选取人为粘性,其唯象条件直接给出了数值模拟正常爆轰应使用的空间步长,提供了数值计算结果。     

悬浮RDX炸药和铝颗粒混合粉尘爆轰的数值模拟

采用两相流方法对炸药颗粒直径为20.0 m时与铝颗粒混合物的爆轰波的发展与传播过程及爆轰波参数进行了数值计算。结果表明，在炸药粉尘中加入铝颗粒，可以大大提高爆轰波参数。当铝颗粒直径为3.4 m时，尽管铝颗粒的直径较炸药颗粒直径小，但由于炸药颗粒的点火温度低，二者的点火时间相差不多。如果铝颗粒的直径为7.0 m，由于铝颗粒的点火滞后于炸药颗粒的点火，混合颗粒粉尘中可能形成双波阵面的爆轰波。