铝粉-空气混合物爆燃转爆轰过程及爆轰波结构

 在长为32.4 m、内径为0.199 m的大型长直水平管道中,对铝粉-空气两相流的燃烧转爆轰（DDT）过程及爆轰波结构进行了实验研究。对铝粉-空气混合物弱点火条件下DDT过程不同阶段的特征进行了分析,实验结果显示混合物经历了缓慢反应压缩阶段、压缩波加速冲击波形成阶段、冲击反应过渡阶段、冲击反应向过压爆轰过渡阶段和爆轰阶段,得到了混合物各阶段的DDT参数,由此进一步分析了DDT浓度的上、下限。在1.4 m爆轰测试段的4个截面的环向上各均匀安装8个传感器,对爆轰波结果进行测试,并对铝粉-空气混合物爆轰波的单头结构进行了分析。     

半开口管道中的氢/空气火焰加速和压力发展过程

本文研究了氢／空气预混火焰在半开口管道中的火焰加速现象和压力发展过程．结果表明,重复布置的障碍物对火焰速度和压力提升产生显著的影响．火焰传播状态随着氢气当量比的变化而发生改变,在氢气当量比约为０．３４时,火焰速度出现第一次跃变;随着氢气当量比进一步提高,火焰速度发生第二次跃变,即由爆燃转为爆轰．发生爆轰时氢气当量比的范围随着阻塞比的不同而发生变化．     

障碍物结构对预混火焰压力发展的影响

本文针对不同的可燃气混合物,研究了由于障碍物引起的火焰加速而导致的管内压力上升现象。在实验中,使用了三种不同形状的障碍物,同时改变障碍物的间距W和阻塞比BR。结果表明,障碍物的存在对管内压力的影响是十分巨大的,即使是较小的阻塞面积,也能导致压力大幅度上升。在障碍物阻塞比BR=0.5、障碍物间距约等于管道内径(W/D≈1)时,管内的峰值压力达到最大值。本实验所用的三种障碍物产生的管内峰值压力并不相同,以园环型的障碍物产生的压力最高,这说明,存在某一种最优化的障碍物,在相同的阻塞比条件下,该障碍物能最大地提高管内的峰值压力。     

弯管内连续旋转爆轰波传播模式实验研究

为研究圆环内爆轰波传播模式的特点,实验在螺旋型的管道内得到了不同初始压力下(p0=4~15 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体的爆轰性能。采用烟膜片记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面。结果表明:随着初始压力的降低,实验依次得到稳定传播模式、临界传播模式、不稳定传播模式。临界传播模式具有强烈的速度震荡,烟膜板中内壁面附近周期性的出现过驱爆轰的胞格结构。当初始压力接近极限时,圆环内出现驰振爆轰波,驰振爆轰的再生过程是由于压缩效应不断累积而引起的局部爆炸。     

气-液-固三相体系云雾爆轰特性的实验研究

在内径为0.2m、高5.4m的大型立式激波管内,同时对液体燃料和黑索金(RDX)粉末进行抛撒,采用底部直接起爆,得到了RDX-液体燃料-空气三相体系的爆压和爆速,利用烟熏技术得到了爆轰波的胞格结构、尺寸及长宽比。结果表明:90#溶剂油-空气两相体系的平均爆压为5~6 MPa,可以将其作为燃料-空气炸药的主燃料;向该燃料中添加硝酸异丙酯(IPN)可以降低其临界起爆能,添加RDX能够提高体系的爆速和爆压。此外,通过理论分析结合实验验证得出,多相爆轰的临界起爆能和爆轰胞格尺寸之间存在与气相爆轰类似的关系。     

聚心火焰在共振腔作用下引发爆轰的数值研究

 基于带化学反应的二维轴对称Euler方程，利用带有Superbee限制函数的波传播算法，对共振腔中的氢气-空气预混气的聚心燃烧进行了数值模拟，讨论了共振腔不同抛物面对起爆的影响。数值结果表明，在开始阶段，燃烧诱导的激波在轴心、火焰和固壁的反射，使火焰失稳，随后共振腔中的抛物壁面上产生一定频率和强度的反射激波，不断穿越火焰，使火焰进一步失稳，加剧了燃烧速度，最终导致爆轰的形成。同时，火焰在与激波的作用过程中，形状扭曲变形，呈封闭端小敞口端大的扁平头部蘑菇云。共振腔抛物面的不同形状引起激波聚焦位置的变化，会影响激波和火焰的相互作用，使起爆提前或推迟，甚至不起爆。     

不同管径的Y形微燃烧器内氢气-空气非预混燃烧的火焰传播特性

实验研究了内径分别为1 mm、2 mm和3 mm,水平通道长度为200 mm的Y形微燃烧器内氢气/空气扩散燃烧的火焰传播特性。首先,d=2 mm的燃烧器内的火焰传播模式最为丰富。其次,当燃烧器管径较大时,火焰更容易因扰动而发出噪音。在d=2和3 mm的燃烧器内能观察到两个阶段的噪音,而当d=1 mm时只有一个阶段的噪音。d=2 mm的燃烧器内平均火焰传播速度最小。而且,随着管径的增大,边界火焰更长。值得注意的是,在d=1 mm的燃烧器内,实验观察到了移动的"火焰街"。最后,基于系统的实验观察绘制了八种火焰传播模式的分布图。总之,本文不仅揭示了火焰传播特性与运行参数和尺度效应之间的关系,而且能为Y形微燃烧器的设计和运行提供指导。     

多点起爆下药型罩表面压力分布规律研究

 为了掌握多点起爆下药型罩表面压力的分布规律以及起爆点参数对压力分布的影响,运用LS-DYNA 3D有限元软件,对多点起爆时爆轰波相互碰撞并作用于药型罩的过程进行数值仿真研究。仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果表明：多点起爆时,爆轰波在起爆点的对称平面处发生碰撞,碰撞位置出现超压现象,导致作用于药型罩表面的爆轰载荷分布不均匀,爆轰波碰撞区域的压力高于非碰撞区域;随着起爆点间距的增大,爆轰波作用于药型罩顶部的压力逐渐增大,而边缘部位的压力则逐渐减小,当间距为50 mm时压力发生突降,即起爆点间距存在上限值;随着起爆点数的增加,药型罩表面微元的压力逐渐增大,但增加幅度逐渐减小,压力的总体分布规律相似。研究结果为带尾翼爆炸成形弹丸战斗部中起爆点参数等关键技术设计提供了理论依据。     

双层多孔介质内甲烷富燃制氢过程的研究

采用一维双温度体积平均模型和详细的甲烷化学反应机理GRI 3.0,对双层泡沫陶瓷多孔介质内甲烷富燃燃烧过程进行数值模拟,研究在双层多孔介质交界面附近稳定燃烧时的火焰稳定传播范围、火焰温度和组分分布及氢气的产量和能量转换效率.结果表明,双层多孔介质燃烧器能有效拓宽甲烷在空气中的富燃极限;在当量比大于1.6时,燃烧产物中氢气含量较多,氢气产生分为甲烷部分氧化和水煤气反应两个阶段;当量比在1.6～1,8之间时,能量转换效率较大,最大值约为46%.     

大型水平管道中环氧丙烷-铝粉-空气混和物爆燃转爆轰的实验研究

 在长为32.4 m、内径为0.199 m的大型长直水平管道中,对环氧丙烷-空气两相流云雾及环氧丙烷-铝粉-空气三相流云雾的爆燃转爆轰（DDT）过程进行了实验研究。对弱点火条件下多相混和物DDT过程的不同阶段特征进行了分析,对比研究了不同浓度时混和物的燃爆情况。结果表明：浓度为513 g/m³的环氧丙烷-空气混和物及浓度为237和643 g/m³的环氧丙烷-铝粉-空气混和物均能在管道中完成爆燃向爆轰的转变,进入自持爆轰阶段,其胞格尺寸分别为0.28和0.50 m。     

Numerical Simulation of Explosive Dust Detonation with CE/SE Method

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

CE/SE方法数值模拟炸药粉尘爆轰

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

管道内甲烷/空气层流火焰向湍流转捩的微观特性研究

为揭示障碍物对火焰的加速特性,本文运用高速摄影技术和压力传感器分别对空管道和置障管道内甲烷/空气预混火焰的形状变化、火焰传播速度及升压特性进行了实验研究,利用Power-law火焰褶皱模型对管道内流场结构进行了大涡模拟分析。结果表明:空管道和置障管道内甲烷/空气预混火焰传播过程都经历了层流火焰向湍流的转变,且置障管道内的湍流强度明显高于空管道的;障碍物未对前期火焰传播过程产生影响,23ms之前,空管道和置障管道内火焰形态完全一致;障碍物能显著提高管道内的压力上升速率,相比于空管道,障碍物对管道内火焰传播速度提升501%;空管道内涡旋出现在管道的近壁侧,置障管道内涡旋出现在障碍物的背风侧,管道内出现的涡旋结构是火焰形态不断变化的根本原因;空管道湍流燃烧机制始终处于薄火焰区域,而置障管道内湍流火焰机制由薄火焰区域转变到破碎火焰区域;基于大涡模拟的Power-law火焰褶皱模型成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明该模型适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究.     

H_2/Air旋转爆震发动机起爆实验研究

为揭示旋转爆震发动机的点火特性,采用普通火花塞和高能火花塞作为发动机点火装置,对以氢气/空气为反应物的旋转爆震发动机进行了实验研究,结合高频压力测量与高速摄影结果分析了旋转爆震波的建立过程,并通过一系列点火实验得到了发动机的稳定工作范围。研究结果表明,两种点火方式均能成功起爆发动机,点火产生的燃烧波通过火焰加速与DDT过程形成旋转爆震波,增大点火能量能够大幅缩短旋转爆震波建立时间。发动机共有三种工作模式,稳定工作范围随燃料质量流量的增加而扩大,且不同工作模式会随反应物当量比的变化而相互转换。     

真实比热模型中铝粉尘两相爆轰波的数值研究

采用多流体模型对铝粉尘两相爆轰波进行数值模拟,研究颗粒能量计算方法对起爆和传播过程的影响.以前的固相颗粒能量的计算一般采用固定比热方法,本文采用随温度变化的真实比热.由于铝颗粒及其产物氧化铝的比热变化很大,模拟得到的爆轰波的速度、压力和波后参数变化和采用固定比热存在较大的差异.变比热计算得到的爆轰波压力、传播速度和实验结果更加接近,而固定比热的计算方法会对这些参数造成高估.对爆轰波的形成进行研究,发现起爆距离主要受起爆能量影响,但是相对于固定比热模型,采用变比热模型得到的起爆距离较短.     

富燃料丙烷/空气预混火焰特性的微重力实验研究

地面常重力(1g)条件下,丙烷/空气预混火焰向上传播的富燃极限为9.2%C_3H_8,而向下传播时的富燃极限仅为6.3%C_3H_8,二者之间存在明显差距。利用微重力条件下的实验,对燃料浓度从6.5%到8.6%(微重力实验中测定的可燃极限)范围内的丙烷/空气预混火焰特性进行了研究。实验发现,重力对近极限丙烷/空气火焰的传播有显著影响,影响程度随着当量比的增加而增大。微重力下丙烷/空气的富燃极限为8.6%C_3H_8(φ=2.24),明显高于1g条件下向下传播火焰的可燃极限,略低于向上传播火焰的可燃极限。随着当量比的增大,根据压力变化曲线计算的火焰层流燃烧速度从8.5cm/s逐渐减小到2.7 cm/s,可燃极限处的层流燃烧速度与前人实验数据一致。     

壁面附近火焰OH自由基行为的PLIF研究

利用OH-PLIF测试技术在狭缝燃烧器上考察了不同壁面条件对平行平板间甲烷/空气预混火焰壁面附近处OH浓度分布的影响.实验结果表明,随着壁面间距的减小,狭缝火焰出现不稳定传播现象,不同壁面温度下不稳定传播现象不同.壁面附近OH浓度越高,熄火间距越小.壁面附近的OH浓度是决定熄火间距的关键因素,而火焰的OH浓度峰值只表示...     

稀甲烷/氢气预混湍流传播火焰实验研究

本文采用定容湍流燃烧弹获取了稀甲烷/氢气/空气在强湍流条件下的火焰发展历程,研究了湍流火焰在负马克斯坦数条件下的传播特性.结果表明,湍流火焰呈现自相似传播特性,即使在强湍流条件下,湍流传播火焰仍然会受到不稳定性的影响.并且随着马克斯坦数的减小,不稳定性对湍流传播火焰的影响增强。同时,本文获得一种新的湍流燃烧速度拟合公式,包含了负马克斯坦数条件下不稳定性对湍流燃烧速度的影响。     

基于动态二阶矩模型值班火焰的大涡模拟研究

为加深对湍流燃烧现象的认知,检验动态二阶矩(DSOM)模型在非均匀湍流燃烧中的适应性,本文基于DSOM模型对非均匀入口条件的甲烷空气值班火焰进行了大涡模拟。模拟得到的温度和混合分数分布均和实验数据吻合较好,验证了DSOM模型在非均匀湍流燃烧中的适应性。研究结果表明,在x/D=1和x/D=5的位置温度梯度较大处和混合分数梯度较大处不在同一位置;在火焰的基部存在分层预混燃烧,使得火焰的稳定得到加强;在x/D=15下游,火焰存在局部熄火。     

微尺度预混合火焰结构和熄火特性研究

本文以空气中的无约束甲烷预混合火焰为对象,用实验和数值解析的方法研究了微尺度预混合火焰的火焰结构和熄火特性。实验测得不同尺寸下混合气当量比和喷出速度与熄火关系图,在不到理论当量比(φ>1)时,火焰已经熄灭,管径越小,极限混合气当量比φu越大。数值解析研究了d=0．3 mm无约束甲烷预混合火焰,在混合气当量比大于 1的富燃料燃烧条件下,空气中形成的预混合火焰结构是内层预混合火焰和外层扩散火焰,极限当量比约为1,解析结果再现了实验现象。