圆柱形爆轰波的二维数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对圆柱形爆轰波的直接起爆和传播过程进行了二维数值模拟研究,拟分析起爆条件和初始压强对圆柱形爆轰波形成和传播的影响。研究发现,圆柱形爆轰波起爆成功向外传播的过程中,新的三波结构的生成标志着爆轰波进入稳定传播阶段。在起爆能量足够的情况下,起爆半径(曲率)的大小决定着三波结构初始形成时的数目和传播半径,起爆压强对其基本不产生影响;起爆半径大(曲率小)时,三波结构初始形成时的传播半径大、数目多,圆柱形爆轰波进入稳定传播阶段的传播距离长;数值模拟中,初始压强的提高,有助于圆柱形爆轰在较短的传播距离内进入稳定传播阶段。     

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman-Jouguet)理论和ZND(Zel'dovich,von Neumann,D?ring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.      

炸药多点起爆超高速光电分幅摄影技术研究

为获得炸药多点起爆的爆轰波传播过程精细细节,研究相适应的超高速光电分幅摄影技术,采用自主研制的超高速光电分幅相机,结合有机玻璃光快门,拍摄到以HMX和以TATB为基的塑料粘结炸药在三点同步起爆条件下纳秒时间分辨爆轰波发展高清晰序列图像,成功观察到爆轰波的整个传播及相互作用过程,捕获到内聚相互作用、马赫杆等波形细节结构。实验结果表明:超高速光电分幅摄影技术基于独立曝光模式,且具有曝光时间短、幅间隔连续可调、空间分辨高等优势,可精细观察到爆轰波传播、相互作用细节信息,该实验方法及其结果对于爆轰波相互作用及爆轰波马赫反射等问题研究具有一定的参考价值。     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

一点起爆半球形装药装置中散心爆轰波传播的数值模拟研究

运用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D,对一点起爆半球壳装药装置中散心爆轰波的传播过程进行数值模拟计算.对冲击波到达炸药和飞层各界面的波形的计算值与实验值进行了对比,两者符合较好,从而验证了该程序的准确性和有效性;对爆轰波的传播过程进行了分析研究,获得了一些散心爆轰波传播的规律性认识,为进一步研究散心爆轰波特性提供了数值分析基础.     

激光引爆起爆药的机理及其爆轰流场的干涉法研究

本文从实验上研究小型脉冲YAG激光引爆或引燃起爆药的可能性;在理论上,从激光热引爆的机理简述了激光引燃或引爆的判据。并采用大口径长程FP型干涉仪,外调制序列脉冲激光源和高速记录装置,获得了起爆药爆轰流场和燃烧温度场的时间序列干涉图,定量计算了爆轰冲击波的传播速度。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明:在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

底面起爆的圆弧钝感炸药爆轰传播规律的数值模拟研究

用爆轰冲击波动力学的广义几何光学模型ＧＧＯ２Ｄ编码计算了底面起爆的圆弧钝感炸药的爆轰波传播过程,以及同一圆心角上不同半径的爆轰走时,计算结果与实验符合得很好。     

三点起爆形成尾翼EFP的数值模拟和实验研究

利用LS-DYNA软件对三点起爆形成尾翼EFP的过程进行了数值模拟,深入研究了爆轰波传播过程中的波形结构和强度的变化规律以及药型罩材料在复合爆轰波作用下驱动变形的特性和规律,加深了对三点起爆条件下药型罩形成带尾翼EFP机理的认识。在此基础上,设计了三点同步起爆装置和EFP装药进行实验。研究结果表明:设计的三点起爆装置作用可靠,满足三点起爆EFP装药的设计要求;形成的EFP弹形稳定,与计算结果吻合较好;尾翼EFP飞行过程中的速度降减小,稳定性提高。     

压装密实炸药装药非冲击点火反应传播与烈度演化实验研究进展

简要概述了国内外同行最近二十多年来对炸药安全性精密物理实验研究认识进展历程，聚焦分析了炸药安全性研究领域一些传统流派在事故反应机理认知和反应行为建模理论方法上的通常误区。本文中还引证了本研究团队近年开展的一组分解实验进行案例点评，对非冲击点火事故反应在装药结构中的传播及反应演化行为的复杂表现背后共同的基本行为机制进行了集中解读。本文中介绍的系列实验从主导机理视角展示了非冲击点火事故演化物理图像的诸多关键细节。对典型密实炸药而言，非冲击点火反应的本质是炸药表面层燃烧反应主体行为，因高压气体产物流动与炸药间隙及基体中裂纹演化耦合，使反应烈度走向呈现极度非线性特征，同时会因主炸药的燃速特性及约束结构的变形、破裂而存在限制，使得密实炸药DDT转化难于在典型装药结构中发生。     

On the propagation mechanism of a detonation wave in a round tube with orifice plates

This study deals with the investigation of the detonation propagation mechanism in a circular tube with orifice plates. Experiments were performed with hydrogen air in a 10-cm-inner-diameter tube with the second half of the tube filled with equally spaced orifice plates. A self-sustained Chapman–Jouguet (CJ) detonation wave was initiated in the smooth first half of the tube and transmitted into the orifice-plate-laden second half of the tube. The details of the propagation were obtained using the soot-foil technique. Two types of foils were used between obstacles, a wall-foil placed on the tube wall, and a flat-foil (sooted on both sides) placed horizontally across the diameter of the tube. When placed after the first orifice plate, the flat foil shows symmetric detonation wave diffraction and failure, while the wall foil shows re-initiation via multiple local hot spots created when the decoupled shock wave interacts with the tube wall. At the end of the tube, where the detonation propagated at an average velocity much lower than the theoretical CJ value, the detonation propagation is much more asymmetric with only a few hot spots on the tube wall leading to local detonation initiation. Consecutive foils also show that the detonation structure changes after each obstacle interaction. For a mixture near the detonation propagation limit, detonation re-initiation occurs at a single wall hot spot producing a patch of small detonation cells. The local overdriven detonation wave is short lived, but is sufficient to keep the global explosion front propagating. Results associated with the effect of orifice plate blockage and spacing on the detonation propagation mechanism are also presented.     

液体碳氢燃料云雾爆轰特性的实验研究

采用升降法和烟迹技术在立式激波管中分别实测了液态燃料（环氧丙烷、硝酸异丙酯、己烷、C5~C6、庚烷、癸烷）与空气混合物直接起爆的临界起爆能和胞格尺寸。数据表明,气液两相云雾爆轰的临界起爆能与当量比呈U形曲线关系,这与气相爆轰得到的结论是一致的;临界起爆能的最小值并不是对应于等化学当量的混合物而是偏向于富燃料;根据三波点运动的烟迹记录,分析了云雾爆轰作用机制,认为液滴的碎解、汽化过程以及燃烧区前导是控制气液两相云雾爆轰的主要步骤。此外,还测定了无限空间下可燃气云的临界起爆能,并将激波管内得到的临界起爆能数据外推到无约束气云的临界起爆能,理论推算结果与实验值吻合较好。     

气相爆轰波胞格尺度与点火延迟时间关系研究

讨论点火延迟时间和爆轰波胞格尺度的内在关系,将点火延迟时间作为特征参量来模拟胞格尺度. 分别对两个总包单步化学反应模型和一个基元反应模型的点火延迟时间进行了数值模拟研究. 对于满足当量比的氢气/空气混合气体,分析了不同初始压力下点火延迟时间随初始温度的变化关系. 研究表明:总包单步反应模型的点火延迟时间不随压力变化,且与初始温度呈线性关系. 基元反应模型的点火延迟时间随压力变化,而且存在理论上的S 型曲线,但是在拐点区域和低温区域与CHEMKIN 计算的结果相差1~3 个量级. 现有模型模拟的胞格尺度普遍偏小,其相应的点火延迟时间也偏小,胞格尺度与点火延迟时间具有正相关性. 入射激波后的气体的点火延迟时间与三波点的运动周期一致,是定量化模拟胞格的关键因素.      

Evolution of detonation propagation through an annular gap into a combustion chamber

Some results of theoretical studies of detonation processes in combustible gaseous mixtures are discussed for a model geometry of large combustion chambers of detonation engines in the case of mixtures of hydrogen and oxygen-enriched air. The effect of geometric characteristics on the operation of pulse detonation engines is analyzed. In particular, the propagation of detonation waves in tubes of small diameter to larger volumes and the evolution of detonation under the action of converging shock waves are considered.     

STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN IGNITION DELAY TIME AND GASEOUS DETONATION CELL SIZE

讨论点火延迟时间和爆轰波胞格尺度的内在关系,将点火延迟时间作为特征参量来模拟胞格尺度. 分别对两个总包单步化学反应模型和一个基元反应模型的点火延迟时间进行了数值模拟研究. 对于满足当量比的氢气/空气混合气体,分析了不同初始压力下点火延迟时间随初始温度的变化关系. 研究表明:总包单步反应模型的点火延迟时间不随压力变化,且与初始温度呈线性关系. 基元反应模型的点火延迟时间随压力变化,而且存在理论上的S 型曲线,但是在拐点区域和低温区域与CHEMKIN 计算的结果相差1~3 个量级. 现有模型模拟的胞格尺度普遍偏小,其相应的点火延迟时间也偏小,胞格尺度与点火延迟时间具有正相关性. 入射激波后的气体的点火延迟时间与三波点的运动周期一致,是定量化模拟胞格的关键因素.