激光支持等离子体爆轰波温度的实验测量

 高能量激光聚焦空气产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量会形成激光支持等离子体爆轰波。等离子体爆轰波温度是表征爆轰波的一个重要参数,研究等离子体爆轰波温度对于深入了解激光支持等离子体爆轰波形成机理有重要意义。分析了激光聚焦空气形成等离子体爆轰波过程和影响等离子体爆轰波温度的主要因素。采用多通道瞬态光学高温计,测量了不同激光发射能量下空气中形成的激光支持等离子体爆轰波的辐射强度,获得了一系列等离子体爆轰波温度动态变化曲线。测量结果表明：等离子爆轰波温度在随时间演化过程中出现3个峰,最高温度在7 000～10 000 K范围内;激光能量与等离子体爆轰波温度没有明显的相关性。     

空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象分析

凝聚炸药爆轰在边界高声速材料约束下传播时,爆轰波会在约束材料界面上产生复杂的折射现象.本文针对凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象展开理论和数值模拟分析.首先通过建立在爆轰ZND模型上的改进爆轰波极曲线理论给出爆轰波折射类型,然后发展一种求解爆轰反应流动方程的基于特征理论的二阶单元中心型Lagrange计算方法来数值模拟典型的爆轰波折射过程.从改进爆轰波极曲线理论和二阶Lagrange方法数值模拟给出的结果看出,凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射类型有四种:反射冲击波的正规折射、带束缚前驱波的非正规折射、带双Mach反射的非正规折射、带λ波结构的非正规折射.     

爆轰波在炸药-金属界面上的折射分析

针对爆轰波在炸药-金属界面上折射时由实验获得的金属折射冲击波压力与经典爆轰波极曲线理论预测的压力存在显著差异这一问题, 本文展开了进一步的理论和数值模拟分析研究. 首先通过分析指出经典爆轰波极曲线理论的缺陷, 并对爆轰波极曲线理论进行了改进, 改进爆轰波极曲线理论给出了炸药爆轰波折射类型以及折射冲击作用点处的压力值. 然后发展了一个基于次特征理论来数值求解爆轰反应流动控制方程的二阶中心型Lagrange方法, 并数值模拟了一个典型的炸药爆轰波折射实验. 改进爆轰波极曲线理论和数值模拟分析结果表明, 爆轰波折射类型有三种:反射冲击波的正规折射、带Mach反射的非正规折射、无反射波的正规折射, 并且金属折射冲击波压力值随入射角增大而单调减小.     

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.     

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.     

来流温度影响驻定爆轰波结构和性能的数值研究

 采用数值模拟的方法研究了超音速来流撞击圆锥体诱导的驻定爆轰波的结构和性能,讨论了不同初始来流温度下,爆轰波结构和波后压力的变化。结果表明,随着来流初始温度的降低,爆轰波的增压比逐渐增加,有利于提高驻定爆轰发动机的推进性能。当初始温度较高时,爆轰波阵面呈现光滑平直的形态,而初始温度较低时,爆轰波呈现出明显的三波点结构,且温度越低,三波点数量越多排列越紧密,这些具有较高压力的三波点对爆轰波波后压力的变化起到了重要作用。     

一维爆轰波在扰动来流中传播的数值研究

爆轰波在静止气体或定常来流中的传播得到了广泛研究, 然而在扰动来流中的传播研究较少。这方面的研究不仅是爆轰传播机制的重要组成部分, 还可为爆轰发动机的应用提供参考。文章基于两步诱导-放热总包反应模型, 开展了一维爆轰波在正弦密度扰动来流中的传播数值模拟。通过对数值结果分析, 获得了放热反应控制参数与爆轰波内在不稳定性的关系, 并在此基础上研究了扰动波长和幅值对一维爆轰波动力学过程的影响。研究发现, 在波前施加连续扰动会诱导爆轰波表现出更复杂的动力学行为, 且影响过程与爆轰波的内在不稳定性相关。对于稳定爆轰波, 扰动只在特定波长范围内引起前导激波后的压力振荡。对于不稳定爆轰波, 扰动会进一步强化其内在不稳定性。扰动幅值越大, 对爆轰波动力学过程的影响越显著。      

基于乙烯或氢气的吸气式旋转爆轰发动机实验

基于氢气的旋转爆轰发动机研究较多,而碳氢燃料与空气混合较为困难,导致基于乙烯的旋转爆轰发动机燃烧技术难度很高.使用宽视野范围的可视化燃烧室观察旋转爆轰波的研究在国内尚未开展.在同一燃烧室内进一步开展了乙烯或氢气的吸气式旋转爆轰实验,来流总温为283~284 K,燃烧室壁面有140°石英玻璃观察窗,便于观察旋转爆轰波运动过程.空筒燃烧室爆轰环腔外径为100 mm,轴向长度为151 mm.燃料通过150个直径0.8 mm圆柱孔进入燃烧室,空气通过喉部1 mm宽的收敛扩张环缝流入环腔.高速摄影和低高频压力传感器均验证了旋转爆轰波的存在和速度值.以氢气为燃料的旋转爆轰波速度最高可达理论值的101%,爆轰波增压效应可达40%左右,乙烯旋转爆轰波速度可达理论值的89%.旋转爆轰波结构容易发生变化,不规则.氢气旋转爆轰的维持对燃烧室的结构要求比碳氢燃料要低,比乙烯旋转爆轰波更加稳定.      

猛炸药RHT-901和钝感炸药IHE-2的爆轰波直角绕射

 采用高速转镜分幅相机和电探针技术研究了猛炸药RHT-901和钝感炸药IHE-2的爆轰波直角绕射图像和不同位置上的爆轰波传播时间。从研究得出，两种炸药都在拐角顶点附近绕射，爆轰波传播时间增长，爆速变小。但是两种炸药绕射爆轰波的状态不一样，钝感炸药IHE-2中爆轰波绕过直角时，在拐角顶点附近约10 mm范围内炸药未完全反应，猛炸药RHT-901中爆轰波绕过直角时未出现类似现象。两者相比，钝感炸药中绕射爆轰波速度变化大，波阵面曲率半径小，而猛炸药的绕射爆轰波速度变化小，波阵面曲率半径大。这说明炸药的爆轰波绕射与炸药的冲击感度、反应区宽度有关。     

氢氧爆轰波在激波管中的成长机制研究

 针对气相爆轰波成长机制研究,采用压力传感器和高速摄影技术,测试了氢氧混合气体在点火后的火焰波、前驱冲击波以及爆轰波的成长变化过程,计算了冲击波过程参数和气体状态参数,分析了火焰加速机制。实验结果表明,APX-RS型高速摄影系统可用于拍摄气相爆轰波的成长历程;氢氧爆轰波的产生是由于湍流火焰和冲击波的相互正反馈作用,导致反应区内多处发生局部爆炸,爆炸波与冲击波相互耦合,最终成长为定常爆轰波。     

旋转爆轰流场的三维结构及其径向变化的数值研究

基于带化学反应的三维Euler方程,采用8组元和24个可逆化学反应的基元反应模型,对等当量比的气相氢气/氧气系统在圆环形燃烧室内的旋转爆轰进行了数值模拟。结果表明,子爆轰波、斜激波和滑移线组成了旋转爆轰波的基本三维结构。由于旋转爆轰燃烧室特殊的几何构型,即内壁的发散和外壁的收敛,使内壁面附近的爆轰强度要小于外壁面附近的爆轰强度,最终实现旋转爆轰波在燃烧室内的自持传播。     

以高温燃气为试验介质的爆轰波风洞

为了满足高温燃气流动研究的需求,提出了一种新的实验装置——爆轰波风洞.该风洞基本原理是利用高压气体驱动爆轰波后高温气体,为其提供消除Taylor稀疏波的运动边界条件,使爆轰波后气流保持均匀恒定所需状态.在结构布置上,爆轰波风洞与激波风洞类似,因此很容易利用激波风洞实现爆轰波风洞的运行模式,但两者的流动过程和参数间关系有明显的区别.首先理论分析了爆轰风洞流动过程并得出参数间关系,而后据此开展了实验验证.理论和实验结果表明该装置可以产生多种类型、不同状态的高温燃气,并可实现对燃气状态的准确控制.该装置实验能力和应用范围还能进一步扩展.      

基于Mie-Grüneisen状态方程的爆轰波运动数值模拟

依据C-J（Chapman-Jouguet）理论,对爆轰问题中的气态爆轰产物和未反应炸药分别考虑不同的参考状态,并根据参考状态选用特定的Mie-Grüneisen状态方程。忽略化学反应过程,爆轰产物厚度为零的前导激波面以界面的形式存在。数值模拟中,爆轰波的演化分为波面传播以及与未反应介质相互作用两个部分。传播过程中,爆轰波的传播速度即恒定的爆速,爆轰产物在传播过程中瞬间形成,而相互作用过程则是通过Mie-Grüneisen多介质混合模型来计算爆轰波的持续冲击作用。借助于Mie-Grüneisen状态方程以及Mie-Grüneisen多介质混合模型,可以很好地模拟爆轰波的运动过程。对比理论参数及文献的计算结果发现,模拟结果具备较好的准确度。     

来流边界层效应下斜坡诱导的斜爆轰波

以超声速预混气中的斜爆轰波为研究对象,对其在来流边界层效应下的特性进行了实验研究.在马赫数为3的超声速预混风洞中,通过斜坡诱导产生了斜爆轰波.当来流的当量比较低时,预混气中产生的是化学反应锋面与激波面非耦合的激波诱导燃烧现象.此时边界层分离区中的化学反应放热将使分离区尺度显著增大,流场非定常性显著增强,激波位置剧烈振荡.当来流的当量比较高时,预混气将产生斜爆轰波.此时边界层分离区会影响到斜爆轰波起爆时的形态.在小尺度分离区下,斜爆轰波起爆时呈突跃结构(有横波);在中等尺度分离区下,流场固有的非定常性使斜爆轰波呈间歇突跃结构;在大尺度分离区下,斜爆轰波起爆则呈完全的平滑结构(无横波).     

180°圆弧形钝感炸药的爆轰波传播

 采用贴体坐标下与Level Set方法相结合的爆轰冲击波动力学（DSD）计算方法,研究了180°圆弧形钝感炸药中非理想爆轰波的传播过程。通过数值模拟计算和实验测量的对比分析,得到了180°圆弧形炸药中爆轰波传播的一些规律：圆弧形钝感炸药可以实现定常爆轰,即在极坐标中整个爆轰波以固定角速度转动。这种定常阵面的形状和角速度与圆弧的外半径无关,定常体系依赖于圆弧形炸药的内半径和覆盖圆弧的外壳物质。对描述圆弧形炸药中爆轰波传播规律的经验公式进行了研究,结果表明这些经验公式能够准确描述爆轰波速度的变化,在实验测量和预估方面具有一定的参考价值。     

环形通道内爆轰波的起爆机制

旋转爆轰发动机环形燃烧室和预爆轰管的设计是影响发动机点火性能的关键因素。为了获得环形燃烧室中的起爆机制，使用多帧短时开快门摄像法，研究了不同含量氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波经直管道沿切向进入环形通道中的传播过程和模式，重点关注爆轰波的失效和重新起爆机制。通过分析胞格模式发现环形通道内爆轰波的传播模式可以分为亚临界、临界和超临界3种状态。环形通道内爆轰波在顺时针和逆时针方向同时传播，根据初始压力和环形管道宽度的不同，会出现完全熄爆模式、熄爆-重新起爆模式和完全不熄爆模式，对应亚临界、临界和超临界3种状态。3种状态在顺时针和逆时针方向出现的顺序并不一致，相比较而言逆时针方向更易熄爆。研究同时也发现重新起爆通过两种方式实现：一种是通过解耦爆轰波与内壁面的反射以及其后的横向爆轰波，另外一种是通过燃烧转爆轰。通过分析直管的临界管径发现，随着环形通道宽度的增大，对于高浓度或低浓度氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波，其临界管径均趋近于经典衍射问题中不稳定爆轰波的临界管径。实验研究结论将为旋转爆轰发动机燃烧室和预爆轰管的结构设计提供技术支持。     

气相爆轰波数值模拟中化学反应模型研究

 基于改进的时 空守恒元解元算法对气相爆轰波数值模拟中3种常用化学反应模型(二步模型,基元反应模型和Sichel的二步模型)进行了考察。对平面爆轰波和具有胞格结构的爆轰波进行了数值模拟,并对数值结果进行了比较和讨论。结果表明3种化学反应模型得到的爆轰参数准确性有所差异,但得到的胞格结构均能和实验结果较好吻合。3种化学反应模型在爆轰波数值模拟中各有优缺点,应视具体问题决定使用哪种化学反应模型。     

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。     

PBX-9502炸药爆轰反应速率模型研究

利用高能炸药爆轰反应的拉格朗日分析方法,得到了一个形式简单的PBX-9502炸药的爆轰反应速率方程。运用该速率方程,计算了PBX-9502炸药爆轰波反应区的纵向结构,并与三项式点火增长模型的计算结果及实验结果进行比较。结果表明:该爆轰反应速率方程能很好地模拟PBX-9502炸药爆轰波反应区的纵向结构。