收缩楔腔内激波汇聚诱导点火实验

文章提出了一种采用圆柱形汇聚激波实现可燃气体点火特性研究的新方法.通过采用激波动力学理论合理地设计壁面型线, 将激波管中产生的平面运动激波近乎连续地转变为扇形区内圆柱形汇聚激波.以氢氧预混气体为考察对象, 开展了相关激波管实验, 实现了可控圆柱面激波汇聚诱导点火.实验发现两种点火现象:强点火和弱点火.在强点火过程中, 点火由入射激波直接诱导产生; 而在弱点火过程中, 点火则是在波后气流经历热压缩过程后发生.      

狭长直管约束条件水下电爆炸所产生的气泡运动和界面射流

以高速摄影为主要手段,揭示直管中爆炸诱导气泡和射流的典型演变过程,并测试爆炸深度和爆炸能量对该现象的影响。研究发现直管中爆炸诱导的表面射流分为光滑和粗糙的两段,这区别于自由表面射流的形态;爆炸气泡的发展经历一个先膨胀再坍缩的过程,其中封闭坍缩以气泡顶部形成内向射流为特征。表面射流速度主要来自爆炸早期短时间内气泡膨胀赋予水体的冲量,且整体上与起爆能量成正相关,而与爆炸深度成反相关;用准一维的简化模型能够很好地描述它们之间的依赖关系,计算结果不仅在趋势上与实验结果一致,数值上也能很好吻合。     

两种不同气体中的高速爆燃波及其向爆轰的转变

对2C2H2 5O2及2C2H2 5O2 80%Ar两种可燃混合气体中的高速爆燃波及其向爆轰的转变过程进行实验研究.高速爆燃波由孔栅干涉爆轰波的方法直接生成,观测手段则以高速转鼓摄影获取孔栅近场流场x-t纹影图,以传感器追踪波面的后继发展.研究发现,两种气体中的爆燃波具有迥异的特性.前者燃烧波面在较低初压条件下为层流结构,而较高初压下为湍流结构,向爆轰转变点可以延伸至下游较长距离;后者在不同初压条件下燃烧波面无明显差异,爆轰的再次形成只能在孔栅下游近场内建立.两种气体中高速爆燃波的维持和爆轰转变过程均非纯粹激波压缩所致,湍流输运在其中起着必不可少的作用.分析显示,激波压缩效应对纯氧炔气体的高速爆燃和DDT贡献较小,湍流输运占主导地位;而氩气稀释气体较为稳定,缺乏自行衍生剧烈湍流燃烧的能力,因而激波压缩和外界扰动对其高速爆燃传播和爆轰转变起十分重要的作用.     

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.      

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

激波诱导高速气流中液滴的初期变形

基于激波管平台和高速摄影方法对平面激波诱导高速气流中液滴的早期变形现象进行实验研究。研究发现在相近的We数或Re数下,实验参数的改变可导致液滴形态发展出现显著差异。这种差异主要体现在背风面的脊状环形突起、褶皱区以及后驻点区的凹凸形态。对刚性圆球外流的数值模拟显示,液滴变形早期形态与外流场结构和表面气动力分布之间存在鲜明的对应关系。最后采用简化理论推导出一组估测液滴早期变形的表达式。将数值模拟所得气动力数据代入计算发现:导致液滴变形的主要驱动力是液滴表面不均匀压力的挤压效应,而不是界面剪切摩擦所引起的切向流动堆积效应,前者高出后者约2个数量级;此外,采用压力作用理论计算所得液滴外形在主要变形特征和变形量级上均可与实验图像很好地吻合。     

激波的传播与干扰

激波的传播特性既取决于激波的产生条件,也与所处的传播环境密切相关。驱动条件、几何边界、介质的物理化学属性等发生变化时,都会引起激波传播特性的改变,而激波的变化反过来又会对其波及的流场产生影响。尽管激波传播及其干扰现象广泛存在于自然界和人类科技活动之中,其复杂机理的认识、规律的描述乃至应用潜力的挖掘仍有漫长的路要走。本文根据气体中激波传播和干扰现象以及与之相关的理论描述特征,在对激波传播以及反射、折射等基本现象进行简要阐述的基础上,重点围绕目前的热点问题,包括激波/激波干扰、激波/边界层干扰、激波与湍流作用、激波的聚焦与点火以及激波作用下气体界面不稳定性等研究进行了介绍和讨论,旨在对近年来该领域的进展及获得的成果做一个概述和归纳,期望对将来的深入研究有一个鉴借意义。     

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。     

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。     

基于PIV测量的超声波流量计内流场特性研究

采用PIV(Particle Image Velocimetry)测量手段,考察了小口径超声波流量计的流动特性。首先针对前端安装直管段时,不同流量条件下的流场特性建立基本认识,实验结果表明,在低流量条件下,流量计内流场存在明显的不稳定演变和非定常流动特征。进一步以上游前端安装球阀为典型案例,考察了安装条件对超声波流量计响应特性和测量偏差的影响。结合直管段的实验观测结果,发现此种结构超声波流量计的适应性与其流场非定常性的关系具有很好的一致性,即流场结构稳定则适应性强。此外,综合多参数的实验结果表明,雷诺数是判断小口径超声波流量计测量准确性的重要无量纲参数。