旋转活塞发动机内部工作过程的研究(上)

旋转活塞发动机(简称转子机)是一种新型内燃机。它摆脱了传统的往复机构和进排气阀系统,具有体积小、重量轻、结构简单和运转平稳等优点,但在发展过程中也存在着一些问题。目前所称的转子机是指燃用汽油的火花点火旋转式三角活塞发动机。本文从     

点火过程和初始条件对燃烧轻气炮内弹道性能的影响

采用计算流体力学方法对燃烧轻气炮膛内燃烧过程进行数值模拟,分析不同的点火点数目和点火能量以及初始温度和压力对燃烧轻气炮内弹道特性的影响。结果表明,采用合理的点火点数目、初始温度和压力条件可以有效控制氢气的燃烧过程,减弱燃烧室内的压力波动。模拟结果对燃烧轻气炮膛内燃烧过程控制具有重要参考价值。     

再生喷射燃烧过程中点火特性的实验研究

建立了再生喷射燃烧过程的多功能实验装置和瞬态参数测量系统。针对点火器参数对点火特性的影响规律进行了大量的实验研究，导出了点火器参数与点火特性之间的实用定量关系曲线。在此基础上，进行了相应的再生喷射燃烧过程实验，取得了较好地实验结果。研究表明:通过控制点火器参数以获得与再生喷射燃烧过程的匹配要求相适应的点火特性，对获得性能良好的燃烧过程具有重要意义。     

多元混合PBX炸药冲击起爆的多元Duan-Zhang-Kim反应速率模型研究

提出了多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型新的处理方法,构建了新的细观反应速率模型,系列数值模拟结果与实验结果均一致,表明该细观反应速率模型可较好地描述和预测炸药组分配比及颗粒度对多元混合PBX炸药冲击起爆过程的影响。PBX炸药冲击起爆过程主要受热点点火过程和燃烧反应过程共同作用：HMX占主导成分的PBXC03炸药,起爆压力低,冲击起爆过程受热点点火影响较明显,热点点火后的燃烧反应速度较快,表现为加速反应特性;TATB占主导成分的钝感PBXC10炸药,起爆压力高,冲击起爆过程主要受点火后的燃烧反应过程控制,且点火后燃烧反应速度较慢,表现为稳定反应特性。

     

HMX颗粒炸药低速撞击点火实验研究

改造落锤撞击仪器,在落锤与撞击底座中增加光学系统和压力测试部件,利用高速摄像仪,拍摄了 HMX颗粒炸药受撞击加载过程中微秒量级时间的变形-熔化-点火-燃烧过程图像。研究了下落高度、颗粒松 散程度对变形和点火时间长短及燃烧剧烈程度的影响。结果表明,落锤下落高度越高,塑性扩展持续时间越 短,易发生点火而不易发生喷射现象;较低的落锤下落高度易导致剧烈的喷射,而不易发生点火。颗粒排列越 松散的样品,塑性扩展时间越短,更容易形成多个点火位置,从而使热点聚合导致燃烧的机会越大。     

点火能量对单基发射药燃烧爆炸特性的影响

为了探究点火能量对单基发射药燃烧爆炸特性的影响，自主设计了发射药燃烧爆炸试验装置。使用黑火药对单基发射药点火，开展燃烧爆炸实验。通过对铝制鉴定板及约束钢筒内壁烧蚀痕迹的分析，获得不同点火能量对单基发射药燃烧爆炸特性的影响。结果表明，点火初期约束钢筒内发射药燃烧反应不完全，反应剧烈程度较弱；随着距点火端距离增大，发射药燃烧反应剧烈程度变强，但此时反应仍不完全；在约束钢筒末端发射药反应完全。在4.0、5.0和8.0 kJ点火能量下，发射药点火初期到反应剧烈程度迅速增强的成长距离分别为54.66、 53.95和19.38 cm。20.0 kJ能量点火初期发射药反应剧烈程度较强，传播至末端时发射药发生爆燃反应，鉴定板产生明显凹痕；发射药在约束钢筒内不同位置分别发生了缓慢燃烧、快速燃烧和爆燃。     

基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析

为探究某新型含铝固体推进剂燃烧特性和规律,在模拟固体发动机的高压条件下,采用可调功率激光器结合高速摄影、发射光谱等光学诊断技术对该新型含铝固体推进剂开展了系统的点火及燃烧过程研究。通过对该推进剂的点火延迟、退移速率、燃烧温度以及团聚物颗粒尺寸的定量测量和分析,明确了该推进剂的点火延迟量级;证实此推进剂的退移速率严格遵循Summerfield燃速公式;判断出其最高燃烧温度高于3 300 K,且随压力增大而升高;通过对燃烧过程中发光凝聚相产物面积的量化分析得出推进剂产物中团聚物粒径尺寸受环境参数的影响规律。     

液体药再生喷射燃烧特性的实验研究

利用逆向式再生环形喷射装置，研究了高速喷射条件下液体的点火燃烧性能。实验研究发现:喷射条件下液体药的点火燃烧性能较整装式液体装药容易实现一致性，且燃速大幅度增加。同时研究了伴随再生喷射燃烧过程所出现的高频压力振荡，分析了高频压力振荡产生的原因。提出了液体药喷射条件下点火延迟度的概念，它可作为评价ＲＬＰＧ点火器工作性能的指标之一。利用喷射点火延迟度的概念，比较了液体药喷射点火延迟性能对于喷口面积、活塞质量、液体药粘度及液体药能量等参量变化的敏感性。     

钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近.     

大长径比点火管高密实火药床点传火过程两相流的数值模拟

设计了某中心点火管,完成了该点火管的点传火实验,针对该点火管长径比大、装填密度高的特点,建立了点火管内气固两相流动和燃烧过程的一维两相流模型,并进行了数值模拟。计算结果与实验结果良好符合,说明计算模型能够准确描述点火管内的实际物理化学过程,计算程序参数取值合理,该计算程序可为此类点火管各种结构尺寸及装填条件下的点传火性能分析及优化计算提供充分的理论依据和方法。并且,根据计算结果初步分析了该结构及装填条件下点火管的点传火性能,为下阶段工程优化设计提供参考     

可燃颗粒悬浮流中的正激波

本文讨论了激波后可燃颗粒点火、燃烧的机制和波后流场的松弛结构,结果表明,点火阶段颗粒外层浓度梯度极大,燃烧速率由非均相化学反应速率决定,而在燃烧阶段,外层的浓度梯度极大,燃烧速率由气体的扩散速率所决定。在考虑管壁效应时,对守恒方程中的能量耗散项作了说明。     

颗粒状HMX、RDX的燃烧转爆轰实验研究

用盖帽探针和离子探针实验研究了颗粒状炸药的燃烧转爆轰（以下简称DDT）过程。测试得到了DDT过程的压缩波，燃烧波，冲击波等。研究表明炸药的DDT过程复杂，点火方式，DDT管材料，炸药中的杂质等对炸药的DDT有一定的影响。     

高马赫数下超声速燃烧的自点火查表方法

超燃冲压发动机燃烧室工作在高马赫数工况时, 入口来流空气的总焓非常高, 自点火在高焓条件下成为维持火焰稳定的重要物理化学过程. 本文借鉴火焰面/进度变量模型的降维思路, 发展了一种基于化学动力学的自点火建表方法. 通过定义混合分数和进度变量将复杂多维的化学反应降维, 并成功将数据库方法结合到现有的大涡模拟求解器中. 经过测试和验证, 该方法初步具备对超声速自点火燃烧进行仿真描述的能力. 针对自点火诱导的超声速燃烧问题开展数值模拟, 该方法通过查表的方式有效降低了化学反应求解过程中的计算量. 在采用详细化学反应机理时能够准确地再现自点火行为和火焰结构, 并且预测的温度和重要组分分布与实验吻合较好.      

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中,组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器,采用C_2H_2/O_2/Ar反应,数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性,并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性,产生漩涡,加速能量、质量的交换。流场产生热点,促进火焰速度加快,追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内,前导激波速度越大,碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

APS—RS型高速相机在气相爆轰实验中的应用研究

基于气相燃烧转爆轰机理研究,探索利用APX-RS型高速数字相机测量氢氧混合气体在电火花点火后的火焰和前驱冲击波的变化历程,获得火焰加速以及冲击波的产生与成长过程的高速摄影图像;计算了不同位置的前驱冲击波参数和气体状态参数;分析了燃烧转爆轰机制。结果表明：APX—RS型高速相机可以成功地拍摄气相燃烧转爆轰过程,并获得氢氧混合气体燃烧转爆轰为局部爆炸机制。     

点火具点火射流蚀剥作用对底排药柱燃烧特性的影响

为了研究底排点火具射流蚀剥作用对底排药柱碎块脱落情况及其燃烧性能的影响,采用半密闭爆 发器实验装置模拟底排弹出膛口瞬态卸压工况,借助高速录像记录点火具点火与底排药柱燃烧的序列图像。 建立底排药柱在半密闭爆发器燃烧的数学模型,计算分析了不同碎块脱落质量引起的平均压力、质量流率和 燃烧时间的变化情况。研究结果表明:蚀剥作用发生在点火具点火初期,导致脱落的底排药剂碎块来不及燃 烧;蚀剥作用主要是强点火射流对底排药柱侵蚀与冲击造成的;碎块总量约占底排药柱初始质量的7%~ 9%,严重影响点火和燃烧的一致性。计算结果与实验值吻合较好。     

气/固/液三相混合物燃烧转爆轰过程实验研究

利用多相燃烧爆炸实验系统,通过高压喷粉/喷雾以及高能点火等过程,对化学当量比条件下3种 典型燃料空气炸药,即硝基甲烷/铝粉/空气、硝酸异丙酯/铝粉/空气、乙醚/铝粉/空气三相混合物的燃烧转爆 轰过程进行了实验研究,同时根据实验结果对比了3种三相混合物的燃爆性能。得到了三相悬浮混合物燃烧 转爆轰过程的宏观规律以及三相混合物燃爆性能随质量浓度变化的规律。     

炸药裂缝燃烧增压过程的一维理论

为了深入理解炸药裂缝燃烧演化过程中的压力增长行为,提升对事故点火下武器装药向高烈度反应转变机制的认识水平,基于炸药预置裂缝燃烧演化压力历程分析,对某HMX基PBX炸药裂缝燃烧的增压过程开展了理论计算。采用气体动力学相关理论建立了简化的炸药燃烧产物流动模型,基于一维等熵流动假设预测了不考虑黏性和摩擦阻力情况下炸药预置裂缝的燃烧压力增长过程,计算结果显示压力增长阶段与实验结果定性符合,为理解炸药裂缝燃烧的增压行为提供了一种理论解释。

     

RDX/HMX颗粒炸药落锤撞击点火-燃烧机理

对单质炸药受低速撞击的力学和化学响应研究,是进行炸药敏感性评价的基础。利用配备了光学观测的落锤撞击装置,实现了频率为1.5×105 s-1的实时观测,不但可以区分样品的“爆”或“不爆”,而且可以获取RDX和HMX颗粒炸药受落锤低速撞击变形、破碎、溅射、点火和燃烧随时间演化的特征。结果表明:RDX颗粒是在液相中点火,而HMX颗粒在固相中点火; 燃烧反应前常常发生剧烈的溅射现象,溅射是由气相反应产物释放能量推动破碎的颗粒所致。对比了单个和单层颗粒炸药响应的特点,多个颗粒由于热点密集和破碎后相互作用,其燃烧反应比单个颗粒燃烧反应更剧烈。根据图像处理估算燃烧波传播速度,很好地表征了样品宏观燃烧反应的剧烈程度。     

爆轰快速点火实验研究及机理分析

为了验证采用爆轰可迅速引燃点火药进而引燃主装药的可行性及掌握此种点火方式下的点火情况,建立了火药装药系统下直列式起爆器爆轰点火实验系统.在特定装药条件下,对点火后实验装置内压力变化情况进行了测量,得出采用爆轰点火方式可以实现点火延迟时间为0.3 ms的目标,以及得出此种点火方式下,火药燃烧特点及实际应用时的注意事项,如...