JP-10裂解的激波管实验与动力学模拟

利用单脉冲激波管对碳氢燃料JP-10在1150～1300 K条件下的高温热裂解特性进行了实验研究,采用气相色谱法分析热裂解产物并获得了热裂解速率系数.主要裂解产物有乙烯、乙炔、丙烯、丁烯、1,3-丁二烯、环戊二烯、环戊烯、苯、甲苯,以及少量的甲烷、乙烷、二甲苯和甲基环戊烯.将每次激波管实验后所有产物浓度累加, JP-10裂解速率系数由实验测定.为了消除激波运行中非理想性和边界层效应导致反应温度确定的误差,采用对比速率法确定裂解温度,即在反应物中加入少量热解速率已知的内标物,根据内标物在相同的激波管实验条件下的裂解程度确定反应温度.根据内标物裂解量确定的激波管裂解反应温度通常小于采用传统测量激波速度由激波关系计算的反射激波后5区温度.在1200～1300 K之间两种方法得到的温度吻合得较好,差异在20K以内,随着温度升高,两者差异增大.在实验研究的基础上,依据San Diego Mechanism对JP-10高温裂解过程进行了动力学模拟.结果显示:主要裂解产物中乙烯、乙炔和1,3-丁二烯产量随温度变化的实验值与San Diego Mechanism的模拟结果有很好的一致性,但环戊烯产量的实验值比模拟值高很多,预示JP-10裂解中完全开环和部分开环反应都是重要的裂解通道.     

钠离子与电子复合电离动力学的激波管研究基金项目

利用反射激波加热使试验气体电离,继之以强稀疏波快速冷却,构成一种新的激波管方法,并测定了在氩气氛中钠离子与电子三体复合速率系数.由于稀疏波冷却速度达106K/s,电离过程处于非平衡状态.选用氨基钠作为向实验体系中引入钠离子的源物质.用压电传感器和Langmuir静电探针分别监测反射激波后5区压力和离子浓度变化.稀疏波的冷却过程被视为绝热的.分析了探针工作状态,引入了探针鞘层内的弹性散射修正.测定了在800～2600K温度范围内以惰性气体氩为碰撞第三体的钠离子与电子电离复合速率系数kr＝3.43×10-14T-3.77cm6s-1.     

活塞式无膜激波管特性的实验研究

本文在自行研制的无膜激波管中,实验研究了不同快速卸压装置对该激波管运行特性的影响。通过控制高压段充气压力和测量压力波形,得到了高低压段压比和激波马赫数的关系曲线以及在测压点处形成激波所需的最低压比。实验结果表明排气快慢对激波形成距离和所形成激波的强度产生很大的影响。对不同装置产生的结果差异进行了一定的分析。     

钠离子与电子复合电离动力学的激波管研究

利用反射激波加热使试验气体电离,继之以强稀疏波快速冷却,构成一种新的激波管方 法,并测定了在氛气氛中钠离子与电子三体复合速率系数．由于稀疏波冷却速度达１０６ Ｋ／Ｓ, 电离过程处于非平衡状态．选用氨基钠作为向实验体系中引入钠离子的源物质．用压电传感 器和Ｌａｎｇｍｕｉｒ静电探针分别监测反射微波后５区压力和离子浓度变化．稀疏波的冷却过程 被视为绝热的．分析了探针工作状态,引入了探针鞘层内的弹性散射修正．测定了在８００～ ２６００ Ｋ温度范围内以惰性气体氩为碰撞第三体的钠离子与电子电离复合速率系数 ｋ_r= ３．４３ × １０~(－１４)Ｔ~(－３．７７) ｃｍ~６ｓ~(－１).     

激波管中实验模拟爆炸波对水汽作用的研究

利用激波管中波系间的相互干扰,实验模拟了爆炸波对水汽的作用,并通过光学测试方法,对水汽同质核化、凝结非定常瞬态变化过程进行了测定．结果表明：在爆炸波强度较弱时,水汽不发生凝结;而在一定强度爆炸波后的非定常流场中,水汽会发生同质核化、凝结．这说明较强爆炸波后的绝热冷却过程可以使水汽发生相变     

激波管与激波风洞的研制——俞鸿儒院士访谈录

激波管是实验室内产生激波的设备,大型激波风洞在空气动力学方面有广泛的应用. 俞鸿儒院士是我国最早研究激波管和激波风洞的科学家之一,参与并主持了激波管与激波风洞的研制. 本文通过访谈整理了激波管自动破膜,激波风洞氢氧燃烧和爆轰驱动技术的相关研究过程,并介绍了激波风洞研制过程中相关测试仪器的设计和改造情况.     

系列生物激波管的研制与应用

本文介绍了国内唯一的大、中、小系列生物激波管的研制和应用。大型总长39.0m,试验段内径1m,驱动段最大超压可达10.3MPa,利用其末端挡板反射稀疏波的运行而可产生负压。中型总长34.5m,驱动段最大超压为22MPa,试验段为组合式,内径77～60mm,可作超压、爆炸性减压和水下爆炸波等试验。小型总长0.5m,设计承压为68.6MPa。三种激波管均用双夹膜将驱动段与试验段分开。动物实验表明,此套装置可使大、小动物产生不同程度的全身或局部冲击伤,可满足冲击伤实验研究的需要。     

抽吸激波管的性能分析与计算

为了减小由于反射激波和透射激波分叉引起的反射型激波风洞试验气体提前受到污染的现象,本文研究了一种新的具有抽吸的激波管流动,分析了抽吸缝的作用,给出了这种抽吸激波管性能参数的计算方法,同时还给出了反射激波与边界层相互作用引起的激波分叉的形状随抽吸量变化的计算公式。实验证实了边界层抽吸可以有效地减小激波与壁面边界层相互作用所产生的分离现象。计算与测量结果是一致的。     

激波管模拟产生近场爆炸冲击波

激波管可以在实验室环境下模拟爆炸产生冲击波,具有参数易于控制和测量手段准确多样等优势,在爆炸冲击效应的研究中被广泛应用。但与真实爆炸相比,尤其是近场爆炸,激波管产生的冲击波存在正压作用时间难以缩短、超压峰值难以提升的困难。通过对激波管运行理论和数值模拟分析发现：缩短正压作用时间的关键是让反射稀疏波尽快追上入射激波;提升超压峰值的关键是提高驱动气体的驱动能力。为此,设计了一种驱动段为锥形截面的激波管,使得反射稀疏波更快地追上入射激波,从而有效减小激波管设备长度并缩短正压作用时间;同时,采用正向爆轰驱动技术,利用化学能代替高压空气驱动提高驱动气体声速,在低爆轰初始压力下可以获得高的超压峰值。数值计算结果表明,在入射激波马赫数（M_S=2.0）相同条件下,相对于等截面驱动方式,采用锥形截面驱动方式时,激波管长度可以减少近2/3,正压作用时间可以缩短近1/2。激波管实验结果表明,锥形截面驱动激波管产生的超压曲线满足近场爆炸冲击波形要求,并获得了超压峰值为64.7～813.4 kPa、正压作用时间为1.7～4.8 ms的爆炸冲击波波形。该研究可为近场爆炸冲击波致伤及装备防护效应评价实验提供参考。

     

低稀释度条件下乙烯点火特性的激波管研究简

在激波管中利用反射激波后高温环境加热燃料,以燃料点火过程中氢氧自由基特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志,在温度范围800 1 650K,压力0.2MPa, 0.7MPa, 1.2MPa,化学当量比为0.5, 1, 2,O₂ 浓度为空气含量20% 的条件下,进行了C₂H₄/O₂/Ar 混合气在低稀释度条件下点火特性的实验研究. 获得了乙烯点火延时随温度、压力、化学当量比、燃料以及氧化剂浓度等参数变化的拟合关系式. 对乙烯点火转爆轰现象进行了初步观察,考察了初始温度对乙烯点火特性以及点火转爆轰的影响.     

EXPERIMENTALLY STUDY OF THE RICHTMYER-MESHKOV INSTABILITY AT N2/SF6 FLAT INTERFACES BY DIFFRACTED INCIDENT SHOCK WAVES AND RESHOCK

利用高速纹影测试实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N₂/SF₆平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的（Richmyer-Meshkov,R-M）不稳定性特征.与平面激波作用不同的是,绕射后的激波会在界面处生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的“尖钉”和“气泡”结构;以及反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,它们会加剧湍流混合区的增长;实验中反射激波过后混合区增长率不十分依赖于波前状态,增长规律同Mikaelian模型较吻合;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

STUDIES ON THE AUTOIGNITION CHARACTERISTICS OF RP-3 AVIATION KEROSENE

在预加热到135℃的激波管反射激波后5区,以点火过程中OH自由基在306.5nm处特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志,进行了RP-3航空煤油点火特性的实验研究.实验温度范围为800～1450K,当量比为0.5,1,1.5,压力为0.05,0.1,0.2MPa,O₂的摩尔浓度为空气含量20%.实验获得了低压条件下（0.05,0.1,0.2MPa）RP-3航空煤油点火延时与点火温度﹑压力﹑当量比以及煤油和氧气浓度的依赖关系.将低压实验结果与高压（0.55,1.1,2.2MPa）条件下煤油点火特性进行了对比.结果显示,当量比对煤油点火特性的影响存在一个临界温度.在临界温度以上的高温区,煤油点火延时随当量比增加而增长;在临界温度以下的低温区,煤油点火延时随当量比增加而缩短;这一临界温度随点火压力的降低而升高.采用3种煤油燃烧反应动力学机理对煤油点火过程进行了动力学数值模拟,并与实验结果进行了对比.结果显示,Honnet等提出的煤油反应机理在高压（2.2MPa）下与实验结果吻合得很好,而在低压下有一些差异.对不同压力条件下的点火过程进行敏感度分析表明,三体反应H+O₂+M=HO₂+M在高压时对煤油点火起轻微抑制作用,而在低压时对煤油点火起促进作用.     

激波作用下液体喷射雾化的实验研究

液体在气流作用下的喷射抛撒过程是流体力学研究中令人感兴趣的重要领域.笔者采用改进后的激波管实现了激波作用下液体的喷射抛撒,并通过阴影照相和激光散射法分别对液体的抛撒状态和抛撒液滴的直径进行了测量.研究表明,在喷射过程中,流场中固定位置所测得的液滴Sauter平均直径随时间的发展而逐渐减小,在开始时刻液滴直径减小较快而最终渐趋平缓;在对不同抛撒距离雾化场的测量中发现,不同位置测得的颗粒最大直径随测量位置离开抛撒装置距离的增加而增加,本文从液滴受力的动力学角度分析了这一现象.     

Shock wave propagation and interactions

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.     

Investigation of high-speed combustible gas ignited by a hot gas jetproduced in the shock tube

The high-speed combustible gas ignited by a hot gas jet, which is induced by shock focusing, was experimentally investigated. By use of the separation mode of shock tube, the test section of a single shock tube is split into two parts, which provide the high-speed flow of combustible gas and pilot flame of hot gas jet, respectively. In the interface of two parts of test sections the flame of jet was formed and spread to the high-speed combustible gas. Two kinds of the ignitions, 3-D “line-flame ignition” and 2-D “plane-flame ignition”, were investigated. In the condition of 3-D “line-flame ignition” of combustion, thicker hot gas jet than pure air jet, was observed in schlieren photos. In the condition of 2-D “plane-flame ignition” of combustion, the delay time of ignition and the angle of flame front in schlieren photos were measured, from which the velocity of flame propagation in the high-speed combustible gas is estimated in the range of 30–90m/s and the delay time of ignition is estimated in the range of 0.12–0.29ms. PACS 47.40.Nm; 82.40.FpPart of this paper was presented at the 5th International Workshop on Shock/Vortex Interaction, Kaohsiung, October 27–31, 2003.     

酚醛树脂高温热解的激波管实验研究

采用激波管方法研究了酚醛树脂在温度范围1100K～1800K之间的热解过程。在激波管高温和短实验时间的条件下,分析了实验样品颗粒在高温气相中的传热过程,讨论了样品颗粒达到热平衡的条件。通过色谱和质谱方法检测热解产物,获得了酚醛树脂高温热解产物分布和热解速率常数。酚醛树脂高温热解最主要的产物为水、一氧化碳、氢、乙炔和苯。温度1400K将酚醛树脂热解分为高温和低温区,分别表现出不同的热解速率常数与温度的关系。关键词:酚醛树脂,热解,再入过程,激波管,质谱分析,色谱分析      

Progress in thermal-mechantical effects induced by laser

对激光辐照诱导的热与力学问题研究进展进行了综述,包括材料在高温、高升温速率下的本构关系,典型薄板和柱壳等结构在激光辐照下的热力破坏效应,多层材料体系的激光破坏行为等几个方面,并着重介绍了包含相变与烧蚀过程的激光破坏分析模型与机制研究,激光辐照效应的流-热-固耦合数值模拟方法,以及短脉冲激光引起的冲击与破坏机理等方面的研究新进展.