多管脉冲爆轰发动机外三维流场的数值计算

为研究多管脉冲爆轰发动机黏性外流场变化特点,推导了三维黏性CE/SE方法,并对7管脉冲爆轰发动机的内、外流场进行了数值计算. 7个爆轰管的排列方式是1个居中、另外6个绕其形成环状排列. 管内流场采用一维模型进行处理; 管外流场采用三维模型进行计算, 得到多管脉冲爆轰发动机黏性外流场的变化规律. 计算结果表明,此多管脉冲爆轰发动机黏性外流场中存在旋涡及多道相互作用的激波与膨胀波, 该结果对多管脉冲爆轰发动机外流场特性研究具有一定的参考价值.      

出口爆轰的外流场研究

利用内径为30mm, 长度为1000mm的爆轰管,对脉冲爆轰发动机进行研究. 爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火. 对半球形高温火团引发的氢气-氧气-氮气爆轰过程和管内、外流场分布进行轴对称数值模拟,考虑了H_2-O_2-N_2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9种组份. 实验和计算获得的外流场阴影和数值照片,形象地描述了管外流场的变化. 数值计算结果和实验结果基本一致,根据实验和数值计算结果,详细地讨论了悬吊激波产生的动力学机理. 爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,同时在流场中形成止于涡环的悬吊激波,涡环形状的变化又引起悬吊激波的强度、形状和位置的变化.      

单次脉冲爆轰发动机工作过程的数值模拟

通过求解14组分和19个基元反应的CH4-O2-N2详细化学反应动力学机理的二维轴对称Navier-Stokes方程,对爆轰管内半球形高温火团引发的爆轰过程和爆轰波进入外流场后的全流场分布进行数值模拟。模拟结果显示了爆轰波在管内的成长、稳定传播、进入尾喷管后衰减为激波和进入外流场的全过程,以及爆轰管出口端附近区域的复杂涡与激波的相互作用。对轴线上的压力分布和封闭端的压力等进行了讨论,为脉冲爆轰发动机的开发研制提供参考信息。     

CE/SE方法在多管爆轰流场并行计算中的应用

应用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对二维非结构网格,发展了一套求解化学反应流场的并行程序。采用带扩张-收敛喷管的多管脉冲爆轰发动机模型,把计算域分成若干子域进行并行求解。采用H2和O2的8组分34基元化学反应模型,对恰当化学当量比混合的氢气和氧气在单爆轰管内的起爆和向多管传播的过程进行了数值模拟。计算结果表明:CE/SE方法能很好地捕捉爆轰流场的精细结构,结果与相关文献符合良好;单管产生的爆轰波对旁通爆轰管的流场结构有很大的影响,能引爆其中的可燃气体。     

基于CE/SE方法模拟空气中RDX-Al悬浮粉尘的两相爆轰

通过CE/SE方法模拟了空气中炸药-铝粉尘的两相爆轰过程, 研究了双粉尘爆轰过程中粒子不同密度对爆轰波速度、压力的影响, 得到密度与波速、爆压间的线性关系。模拟得到悬浮粉尘在复杂通道中的爆轰波传播过程, 研究了双粉尘爆轰的流场演化过程, 选取流场中的一些点对该处流场的压力及温度随时间的变化进行重点研究, 对比了单铝粉尘在同种条件下的爆轰过程, 发现双粉尘爆轰明显提高了爆轰波波速和流场的压力及温度。模拟结果表明CE/SE方法可以成功模拟双粉尘的爆轰过程, 可为多粉尘爆轰的研究提供参考。     

可燃气体中激波聚焦的点火特性

数值模拟了二维平面激波从抛物面上反射在可燃气体中聚焦的过程,研究了形 成爆轰波的点火特性. 对理想化学当量比氢气/空气混合气体,在初始压强20kPa的条件下, 马赫数2.6-2.8的激波聚焦能产生两个点火区：第1个点火区是反射激波会聚引起的,第 2个点火区是由入射激波在抛物面上发生马赫反射引起的. 这种条件下流场中会出现爆燃转 爆轰,起爆点分别分布在管道壁面、抛物反射面和第2点火区附近. 起爆机理分别为激波管 道壁面反射、点火诱导激波的抛物面反射和点火诱导的激波与第2点火区产生的爆燃波的相 互作用. 不同的点火和起爆过程导致了不同的流场波系结构,同时影响了爆轰波传播的波动 力学过程.     

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响

为了研究液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响,采用CE/SE方法对以汽油/富氧空气为燃料的CRDE进行数值模拟,分析了不同液滴半径、当量比对爆轰性能参数的影响。计算结果表明:随着液滴半径增大,爆轰压力峰值、温度峰值以及爆轰波速度均降低,且压力峰值与温度峰值在爆轰波传播过程中出现不稳定现象;当增大到70 μm时,爆轰波将无法成功起爆。随着当量比的增大,CRDE爆轰波速度及平均推力增大,爆轰压力、温度以及气相周向速度的峰值均先增大后减小。在当量比1.1附近,爆轰压力与温度的峰值出现极大值;而气相周向速度峰值的极大值出现在当量比0.9附近。基于燃料的比冲随着当量比增大而减小。     

爆轰波与激波对撞的实验研究

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.      

A numerical study of two- and three-dimensional detonation dynamics of pulse detonation engine by the CE／SE method

In this paper, the CE/SE method is developed to simulate the two- and three-dimensional flow-field of Pulse Detonation Engine (PDE). The conservation equations with stiff source terms for chemical reaction are solved in two steps. The detailed analysis of computational results of a PDE with a single detonation tube and a PDE with five detonation tubes are given in this paper. Complex wave systems are observed inside and outside a PDE. For a PDE with 5 detonation tubes, there is a big bow shock produced from a number of little shocks near the open ends of tubes. A lot of vortexes interact with shocks and a large expansion wave propagates forward and backward with respect to the PDE in a semi-oval shape.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (59906005), the Teaching and Research Award Program for Outstanding Young Teachers in High Education Institutions of MOE, China     

气相爆轰胞格结构和马赫反射数值模拟

采用简化二阶段化学反应模型和改进的高精度时空守恒方法 (CE/SE)对二维可燃气体DDT过程和爆轰波在楔面上的马赫反射进行了数值模拟 ,计算和实验结果的比较令人满意。     

Space–Time Method for Detonation Problems with Finite-rate Chemical Kinetics

The space–time conservation element and solution element (CE/SE) method originally developed for non-reacting flows is extended to accommodate finite-rate chemical kinetics for multi-component systems. The model directly treats the complete conservation equations of mass, momentum, energy, and species concentrations. A subtime-step integration technique is established to handle the stiff chemical source terms in the formulation. In addition, a local grid refinement algorithm within the framework of the CE/SE method is incorporated to enhance the flow resolution in areas of interest. The capability and accuracy of the resultant scheme are validated against several detonation problems, including shock-induced detonation with detailed chemical kinetics and multi-dimensional detonation initiation and propagation.     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

二维CE/SE算法改进及其高阶精度格式

通过提出一种新的守恒元和解元划分方式对二维时-空守恒元解元算法(CE/SE)进行了改进,推导了改进CE/SE算法的一、二阶精度计算格式,并给出了更高阶精度计算格式的构造方法。利用得到的改进CE/SE格式对激波反射问题、后台阶扰流问题及隔墙坑道传播问题进行了数值模拟。数值结果表明,对CE/SE算法的改进是成功的。改进CE/SE算法有诸多优点,值得在数值模拟中推广使用。