气相爆轰波贯穿胞格变化研究

根据气相爆轰波胞格结构的规则特则特性建立一种以子单元分解胞格结构的新方法,根据该子单元的性质和斜冲击波关系,求解胞格结构中的三波点对撞问题,并推导贯穿胞格时,爆轰速度的相对波动幅度仅依赖于胞格几何形状的关系,然后,采用爆炸波衰减模型,计算气相爆轰波贯穿胞格时的衰减过程,计算结果与实验符合得较好。     

发动机爆震室气相化学反应机理及爆轰波性质的数值研究

爆轰波结构中存在气体动力学和化学反应的非线性强耦合作用。针对二十步基元反应模型和基于敏感性分析简化的九步反应模型,结合二维欧拉方程,采用Roe格式求解对流项、二阶迎风格式进行插值,对脉冲爆震发动机爆震室内H_2/O_2爆轰过程进行数值研究,获得了与爆轰经典CJ理论和实验结果较为一致的爆轰参数,表明采用带有化学反应的模型是可行的。通过数值分析爆轰波胞格的精细结构,得出:相比于九步基元反应模型,二十步的基元反应模型能较为准确地描述三波点的碰撞和演化,更好地解释反应区与入射激波的解耦,而与马赫干强耦合现象。基于二十步基元反应模型数值讨论了爆震室中添加惰性气体Ar对反应的稀释作用,以及气相初始压强降低对氢氧混合气体爆轰性质的影响。     

T型管内爆轰流场演变的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对2H_2/O_2/Ar系统在T型管内的传播进行了研究。用二阶附加半隐的RungeKutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波分别在静止系统和流动系统中传播过程,得到了爆轰流场纹影、压力及数值胞格结构。结果表明:爆轰波进入水平管的爆轰波左右两侧发生衍射,导致爆轰波熄灭。诱导激波与上壁面碰撞反射诱导左右两侧爆轰波重新起爆,横向爆轰波阵面的小扰动进入马赫波,强度逐渐放大,最终波阵面上出现胞格结构。由于下壁面拐点附近出现爆轰"死区",下壁面爆轰波的产生比上壁面稍晚。     

含铝炸药爆轰数值模拟研究

对含铝炸药25nm和50nm圆试验进行了二维爆轰数值模拟,标定了含铝炸药JWL状态方和反应速率方程参数,为检验含铝炸药爆轰模型及其相关参数的合理性,对含铝炸药驱动金属平板试验进行了二维爆轰数值模拟,得到了与实验值相符合的结果,分析了铝粉在炸药爆轰中的反应情况和约束条件对含铝炸药爆轰性能的影响。结果表明,铝粉主要在爆轰后期与炸药爆轰产物反应释放能量。     

预混气体爆轰胞格结构定性仿真建模*

预混气体的爆轰波具有典型的胞格结构,主要用烟熏技术记录下爆轰波在管道中由横波、入射波和马赫杆交合的三波点运动轨迹。胞格宽度λ作为胞格的特征长度,爆轰的胞格尺寸也是判断可燃混合气体最基本的特征参数,基于胞格尺寸,爆轰的其他动态参数,如临界管径、爆轰极限和直接起爆的临界能量等都可以通过联立爆轰胞格尺寸得到。爆轰胞格结构在研究预混气体爆轰波传播特性方面意义重大,不同初始条件对胞格尺寸都会产生一定的影响,本文通过定性与定量相结合的建模方式研究分析爆轰胞格尺寸与初始条件的关系,根据与实验数据的定量比较,验证定性仿真的正确性和可行性。     

单循环脉冲爆轰发动机的数值模拟

对高温火团引发的甲烷-空气混合气体的爆轰过程及管内、外流场做了二维轴对称数值模拟,考虑了CH4-O2-N2的详细化学反应动力学机理,该机理包含了19个基元反应和14种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Navier-Stokes方程,使用改进的波传播方法求解流场,使用基于隐式Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入喷嘴后衰减为激波以及进入外流场的全过程。还对轴线上的压力分布和封闭端的推力等进行了讨论,为脉冲爆轰发动机的开发研制提供信息。     

PETN炸药爆轰参数的数值模拟

用吉布斯自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解PETN炸药爆轰产物系统的平衡组分,计算结果与用BKW和LJD方法计算的结果相近.用自编的程序从碳的石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态中确定出炸药爆轰产物中游离碳更可能存在的相态,并用此相态计算碳的Gibbs自由能,以WCA状态方程作为爆轰气相产物的物态方程,对PETN炸药爆轰参数作了预言,爆轰CJ点的爆速、爆压和爆温的计算结果与实验值吻合得很好.     

预制破片战斗部爆轰产物泄露数值模拟

预制破片战斗部具有破片质量和形状近似100%可控的优点,但其爆轰产物的过早泄露会影响破片的加速过程.为了分析爆轰产物泄露对破片威力的影响,利用数值模拟方法对某预制破片战斗部的爆轰泄露过程进行了研究,并分析了炸药采用不同仿真算法所得结果与试验的吻合情况.结果表明:端面中心起爆时,爆轰泄露主要发生在周向,对破片飞散形态影响较大;流固耦合算法计算得到的破片速度和飞散角与试验吻合最好,最小平均相对误差分别为1.12%和0.56%;综合计算鲁棒性、计算精度、计算时间等,流固耦合算法较适用于爆轰产物泄露的研究.      

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

初始压力对爆轰波在管道内传播的影响

建立爆轰管道研究不同初始压力下爆轰波在管道内传播规律.选用CH4+2O2气体,采用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波胞格结构.结果表明:爆轰波在管道内传播时出现5种不同传播模式,分别为稳态式、快速波动式、结巴式、驰振式与失效模式.在稳态传播模式下,爆轰波局部速度波动很小且平均速度接近理论爆轰CJ速度,并呈现多头胞格结构.随着初始压力的降低,爆轰波局部速度波动增加且其平均速度产生衰减.在驰振式爆轰解耦处,爆轰波胞格结构消失,过载爆轰时,重新形成胞格结构.进一步降低初始压力至爆轰失效时,则无胞格结构.     

不同燃料及初始条件下的胞格测试实验

为直观了解不同初始条件下不同燃料(H_2、C_2H_2、C_3H_8)的胞格大小变化规律,在产生稳定爆轰波的前提下,进行了单次爆轰性能研究。在60 mm×60 mm×2 000 mm方爆轰管的侧面设置采样段来获得胞格演变的烟迹图,从燃烧机理分析胞格演化机制。试验结果表明:1化学键的饱和程度越低越易形成胞格,且化学键的饱和程度在胞格形成过程中起主要作用;2初始条件相同时,初始压力越低、氮气含量越高,胞格的尺寸越大。     

初始条件对管道内爆轰波传播特性影响研究

实验研究了C_2H_2+2.5O_2+nAr气体爆轰波传播特性随初始条件变化规律。采用光电二极管测量爆轰波传播速度,烟迹法记录爆轰波胞格结构。结果表明:随初始压力降低,爆轰波在管道内出现稳态式、快速波动式、失效式传播模式。稳态式传播时爆轰速度局部波动小于平均速度的5%,初始压力对爆轰速度几乎无影响;快速波动式传播时爆轰速度局部波动增大,平均速度发生衰减,衰减幅度随初始压力降低而增大。随Ar稀释浓度增加,爆轰速度逐渐减小,且Ar稀释浓度对爆轰速度的影响显著。胞格尺寸随初始压力的降低而增大;稳态气体胞格结构规整;而非稳态气体胞格结构杂乱。     

连续点火诱导爆轰的数值研究

使用带基元化学反应的多组分Navier-Stokes方程,数值研究了多点连续点火过程诱导氢气-空气预混合气体的爆轰过程.计算结果表明,点火时序的变化可以显著影响预混气的爆轰引发特性.适当的加速连续点火过程可以诱导爆轰的形成,且随着点火过程的加速,爆轰的形成时间和距离均有所缩短;减速或过快的连续点火过程则不能诱导爆轰的形成.     

炸药爆轰合成超微金刚石的数值模拟

在相变模型基础上对炸药爆轰过程中超微金刚石的合成进行数值模拟，用简单反应速率函数估算炸药爆轰反应区的热力学参数，用动力学有限元程序DYNA2D模拟爆轰产物的膨胀过程，按均匀成核和长大两步模拟爆轰过程中游离碳相变成金刚石的过程，同时考虑金刚石在爆轰产物膨胀过程中的石墨化。计算了不同装药条件和保护条件下金刚石的成核率，长大线速度，石墨化率，金刚石得率及粒径分布等信息，对计算结果进行分析和讨论。     

石油射孔弹爆轰波相互作用数值模拟分析

采用动力学有限元方法,以某型号的射孔弹为例,对两发射孔弹的顺序起爆、爆轰波的相互作用效应进行数值模拟,得到相互干扰对聚能射流的影响规律,从而为提高射孔效率提供一定技术支持.     

变截面叠合结构力学特性数值模拟

为了探讨不同预制板截面高度与叠合后截面总高度比例对叠合结构力学特性的影响,利用ABAQUS软件对比例为0.6、0.5和3/7的叠合板进行有限元分析.模拟结果表明,该比例的变化对后浇层受压混凝土的"应变滞后"和钢筋的"应力超前"等叠合结构的典型力学性能具有重要影响.本文的研究为叠合结构的设计和工程应用提供了理论基础.     

C2H2-2.5O2-Ar混合气体临界管径和爆轰胞格及临界能量的实验研究

建立了C2H2-2.5O2-Ar混合气体爆轰临界管径的测试系统,其中高压电火花作为起爆源.首先分别测定了C2H2-2.5O2,C2H2-2.5O2-50%Ar,C2H2-2.5O2-70%Ar三种混合气体在不同初始压力下的爆轰临界管径.结果表明:随着氩气稀释浓度的提高,在管道直径相同的条件下,可形成球形爆轰的临界压力增加,表明物质的爆轰敏感性降低.进一步探究各种物质临界管径与爆轰胞格的关系,得到了三种物质临界管径与胞格宽度的比例系数.最后分析了三种物质的临界管径和直接起爆的临界能量的关联性,并与Lee表面积能量模型对比,实验结果与理论模型基本吻合,得出C2H2-2.5O2-Ar混合气体爆轰临界管径与临界起爆能量之间的关系为Ec=16-1πρ0v2CJIdc3.     

不同点火因素对爆轰波传播影响的数值模拟

采用二维守恒元与求解元方法(简称CE/SE方法)对脉冲爆轰发动机汽油/空气两相爆轰内流场进行数值模拟,获得了脉冲爆轰发动机内流场的变化规律.分别研究了不同点火能量、点火位置和点火方式对燃烧转爆轰过程(简称DDT过程)的影响.计算结果表明,点火能量越大形成稳定爆轰波所需要的时间越短,即燃烧转爆轰时间和距离越短,并且当点火能量过小时则不能形成燃烧转爆轰过程;从不同位置处点火计算得出,存在一个最佳的点火位置,使得燃烧转爆轰形成距离最短,形成时间最少,文章所研究尺寸结构的脉冲爆轰发动机的最佳点火位置为距封闭端2倍管径处;通过两点点火和单点点火的计算结果比较发现,适当的多点点火可以诱导爆轰的形成,能够缩短燃烧转爆轰的时间和距离.以上研究结果可以为脉冲爆轰发动机的点火起爆及燃烧转爆轰的实验研究提供理论指导,并为发动机的结构改进提供参考.     

气相规则胞格爆轰波起爆与传播统一框架的几个关键基础问题研究

本文综述并分析了气相规则胞格爆轰在起爆与传播方面的研究进展,结合高温气体动力学国家重点实验室在爆轰物理方面的研究工作,进一步研究了气相规则胞格爆轰波起爆的几个关键基础问题．这些基础问题由一个机制：非线性波传播／化学反应过程相互作用机制;两个基本过程：热点起爆和化学反应带加速过程;三个关键物理状态：平衡传播状态、临界起爆状态和稳定胞格尺度等六个关键要素组成,是统一框架的主要基本元素．通过六个典型的物理算例,本文研究了这些关键物理要素的内在机制、表现特征及其客观存在性．应用气相规则爆轰起爆与传播的统一框架,我们成功地解释了目前已有的经典爆轰理论、应用CFD技术获得的多维爆轰波计算结果和实验研究观察到的胞格爆轰图像的合理性及其依据的关键物理要素．     

变截面管道对瓦斯爆炸特性影响的数值模拟

以气体爆炸理论为基础,利用高精度的加权本质无振荡(WENO)格式对变截面管道中的瓦斯爆炸进行了数值模拟,探讨了变截面管道对瓦斯爆炸火焰传播的影响规律,得到了变截面管道造成瓦斯爆炸强度增大的结论. 在此基础上,分析了障碍物、壁面和三波结构对瓦斯二次爆炸的影响. 结果表明,经壁面反射后的激波和三波点的碰撞都能够诱导二次爆炸的产生. 这些结论为瓦斯爆炸的预防、安全评估和防火防爆提供了重要的理论依据.