泄爆过程中二次爆炸的动力学机理研究

在容积为0.00814m3的柱形泄爆容器中，对泄爆现象进行实验研究. 容器内充满当量比为1的甲烷-空气预混气，采用底端中心点火，泄爆压力为230±15kPa. 基于k-ε湍流模型和EBU燃烧模型，利用同位网格的SIMPLE算法，对该现象进行了数值模拟. 实验和计算获得的外轴线上4个测压点的压力曲线和外流场的阴影和数值照片，形象地描述了高压泄爆时外部流场的变化. 数值结果与实验结果基本一致. 根据实验和数值结果，详细地讨论了泄爆过程中二次爆炸产生的动力学机理. 泄爆的初始阶段，在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激波高压区. 高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域. 随后，火焰以射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云. 受湍流等因素的影响，特别在高密度的预热区域，燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸.     

Turbulence,vortex and external explosion induced by venting

The process of explosion venting to air in a cylindrical vent vessel connected to a duct, filling with a stoichiometric methane-oxygen gas mixture, was simulated numerically by using a colocated grid SIMPLE scheme based on k-epsilon turbulent model and Eddydissipation combustion model. The characteristics of the combustible cloud, flame and pressure distribution in the external flow field during venting were analyzed in terms of the predicted results. The results show that the external explosion is generated due to violent turbulent combustion in the high pressure region within the external combustible cloud ignited by a jet flame. And the turbulence and vortex in the external flow field were also discussed in detail. After the jet flame penetrating into the external combustible cloud, the turbulent intensity is greater in the regions with greater average kinetic energy gradient, rather than in the flame front ; and the vortex in the external flow field is generated primarily due to the baroclinic effect, which is greater in the regions where the pressure and density gradients are nearly perpendicular.     

激波与堆积粉尘相互作用的数值模拟

基于双流体模型和测定的堆积粉尘的本构方程 ,利用AUSM+ 格式 ,对激波与堆积粉尘的相互作用进行了数值模拟。计算所反映的流场结构与实验图像一致。此外还对激波强度 ,颗粒材料密度等对流场的影响进行了讨论。     

方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响

通过实验与数值模拟方法对CH4/空气预混火焰在有楔形障碍物的卧式燃烧方管内的传播进行了研究。采用多镜头Cranz Schardin高速摄像机和压力传感器等实验设备获得了高清晰度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片以及障碍物背风表面压力变化曲线。数值模拟则基于RANS方法与EDU-Arrhenius燃烧模型,计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程。通过综合分析实验与计算结果,得到了由楔形障碍物导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质。     

不同磁场构型下Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究及动态模态分解

基于磁流体动力学,本文通过数值模拟对不同磁场构型下轻质气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程进行了研究.结果显示:磁场对波系演化影响甚微,但能抑制界面不稳定性发展,且横向磁场抑制效果更好.无磁场时,界面形成涡串, SF_6射流穿过下游界面;有磁场时,界面光滑无涡串.其中,横向磁场下界面更光滑, SF_6射流不再穿过界面.此外,由于Richtmyer-Meshkov不稳定性的作用,磁力线在气柱界面发生扭曲,且上游界面处磁力线扭曲程度更大,产生强洛伦兹力,使涡量分层明显;下游界面处,纵向磁场产生的洛伦兹力较横向磁场更小,涡层之间相互干扰.最后,本文将动态模态分解用于界面不稳定性研究,发现:磁场作用下界面仍存在小涡,且纵向磁场下扰动更多.第一模态的稳定涡结构能反映主要流场信息,第二到第四模态下的小涡频率依次增加,且无磁场、纵向和横向磁场的同一模态下,小涡频率依次减小.因而磁场能抑制小涡频率,且横向磁场抑制效果更好.     

湍流加速火焰的三维数值模拟

火焰在设有障碍物的管内传播时会自身加速，并可能导致爆炸。本文基于湍流κ-ε模型和改进的EBU—Arrhenius反应模型，对该现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果反映了障碍物、湍流和火焰之间相互作用的正反馈机理，描绘了火焰在管内加速传播的三维图像。     

膛口流场动力学过程数值研究

采用基于ALE方法的动网格及嵌入网格技术,运用有限体积方法,结合二阶精度Roe格式,对弹丸由高压气体驱动从静止状态加速至超音速,射出膛口到完全飞离初始流场的整个过程进行了数值模拟.根据数值结果,详细讨论了初始流场、火药燃气流场的形成与发展以及与弹丸的耦合和相互作用过程,揭示了在这一变化过程中激波与激波、激波与漩涡、激波与弹丸等的相互作用以及激波衍射、聚焦等对弹丸加速的影响.     

小口径膛口射流噪声的数值模拟

为了研究小口径武器的膛口气动噪声特性,采用CFD-CAA耦合算法对7.62 mm枪的射流噪声场进行了数值模拟。由于膛口流场结构复杂,在目前的计算发展水平下还不足以采用CAA直接法,因而本文中采用混合方法,即首先采用CFD方法计算7.62 mm枪的膛口流场,然后利用所得结果,采用声学方程计算射流噪声,具体为膛口近场采用LES进行计算,远场声场采用FW-H声拟法计算。通过对比验证实验,验证了该计算方法的可行性。然后,对7.62 mm枪射流噪声进行了数值模拟,分析了噪声指向性,绘制了声压级云图。研究表明:在本文的计算条件下,射流噪声强度主要集中在近膛口区域;且射流最大噪声主要分布在与轴线方向成30°~60°范围内。     

泄爆诱导二次爆炸的实验研究

在不同泄爆压力、不同泄爆面积和不同当量比的甲烷/空气预混气的实验条件下,采用容积为0.00814m3带导管的柱形泄爆容器和底端中心点火方式,进行了一系列泄爆实验。实验获得了内外流场测点的压力历史曲线。结果表明泄爆后外流场出现典型的破膜激波和二次爆炸波的双峰变化特征,前者不断下降,其强度随泄爆压力的增大而增大,而后者经历了上升和下降过程,强度随泄爆压力、泄爆面积和甲烷/空气当量比的增大而增大。     

基于ALE方程的动网格膛口流场数值研究

基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian Equation)方程的有限体积法,采用高精度Roe方法及结构化动网格,利用嵌入网格技术及动边界条件,对弹丸由膛内高压气体推动射出到完全飞高初始流场的整个过程进行了数值模拟.根据数值结果绘制了膛口流场密度和压力分布的时序图,形象地再现了膛口流场中初始激波、弓形激波及膛口冲击波,以及接触闻断、漩涡和剪切层等的动力学发展过程.结果基本反映了膛口流场的典型变化特征,为进一步研究真实膛口流场(如带化学反应、湍流等)奠定了基础.