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。     

冲击波作用下引信传爆序列殉爆的数值模拟

为研究不敏感弹药或不敏感引信在战备和后勤贮存过程中的殉爆现象,利用装填JH-14C传爆药的某引信传爆序列,开展了冲击波作用下的殉爆数值模拟研究,获得了引信传爆序列爆轰波成长历程、传播规律以及临界殉爆距离,建立了冲击波能量判据,并给出了殉爆条件。结果表明:冲击波由传爆药左上向右下传播,在最右下端面处起爆,引信传爆序列的临界殉爆距离为9.7 mm;当作用冲击波能量大于临界起爆能量时,引信传爆序列发生殉爆。     

气-液-固三相体系云雾爆轰特性的实验研究

在内径为0.2m、高5.4m的大型立式激波管内,同时对液体燃料和黑索金(RDX)粉末进行抛撒,采用底部直接起爆,得到了RDX-液体燃料-空气三相体系的爆压和爆速,利用烟熏技术得到了爆轰波的胞格结构、尺寸及长宽比。结果表明:90#溶剂油-空气两相体系的平均爆压为5~6 MPa,可以将其作为燃料-空气炸药的主燃料;向该燃料中添加硝酸异丙酯(IPN)可以降低其临界起爆能,添加RDX能够提高体系的爆速和爆压。此外,通过理论分析结合实验验证得出,多相爆轰的临界起爆能和爆轰胞格尺寸之间存在与气相爆轰类似的关系。     

弯管内连续旋转爆轰波传播模式实验研究

为研究圆环内爆轰波传播模式的特点,实验在螺旋型的管道内得到了不同初始压力下(p0=4~15 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体的爆轰性能。采用烟膜片记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面。结果表明:随着初始压力的降低,实验依次得到稳定传播模式、临界传播模式、不稳定传播模式。临界传播模式具有强烈的速度震荡,烟膜板中内壁面附近周期性的出现过驱爆轰的胞格结构。当初始压力接近极限时,圆环内出现驰振爆轰波,驰振爆轰的再生过程是由于压缩效应不断累积而引起的局部爆炸。     

脉冲爆轰发动机热射流起爆机理数值分析

应用频散可控耗散差分格式,求解具有化学反应项的Euler方程,探讨了热射流起爆可燃混合气缩短DDT过程的物理机制.数值研究模拟了不同条件下的起爆过程,从氢氧链式反应出发详细分析了氢氧爆轰直接起爆的SWACER(能量释放而形成激波或压缩波的相干放大)机制的建立条件,讨论了热射流起爆存在超临界、临界和亚临界三种直接起爆机制.     

乙炔-氧气混合气体强爆轰参数的理论估算与实验研究

 针对非定常的气相强爆轰过程,建立了气相爆轰的理论计算模型,结合C-J理论和多方气体物态方程,对乙炔-氧气混合气体的强爆轰参数进行了理论估算,并在激波管中开展了化学计量比的乙炔-氧气混合气体的强爆轰实验。对比研究表明：爆速的理论估算值与实验值符合较好,证实了采用C-J理论估算气相强爆轰参数的可行性,计算数据具有一定的参考价值。     

激波管内燃料两相云雾爆轰的实验研究

 在立式激波管中采用压力传感器和烟迹技术实测了6种碳氢燃料（环氧丙烷、硝酸异丙酯、C₅~C₆、己烷、庚烷和癸烷）与空气混合物的临界起爆能和爆轰波胞格尺寸。结果表明，燃料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，并且最敏感的起爆点在富燃料一侧，这与气相爆轰结论是一致的；由三波点运动的烟迹记录结果分析得出，雾滴的碎解、蒸发汽化过程以及燃烧区前导是控制气液两相云雾爆轰的作用机制。     

冷等离子体放电区长度对爆震特性影响的实验研究

快速高效的起爆对脉冲爆震发动机工作特性的作用十分关键.文章以乙炔为燃料、空气为氧化剂,使用双爆震管研究冷等离子体和火花塞两种点火方式对起爆特性的影响规律.冷等离子体发生器采用自主设计产品,研究中通过改变冷等离子体放电区长度,测试爆震波的传播过程,给出了放电区体积大小对爆震特性的影响.实验结果表明:冷等离子体点火起爆特性明显优于火花塞;在基本保证放电功率不变时,放电区长度的变化对火焰传播时间、火焰传播速度、爆震波峰值压力影响不大.因此,在工程实践中,采用小区域放电能够减少冷等离子的体积且不影响起爆性能.      

超燃冲压发动机推进性能理论分析

超燃冲压发动机的正推力问题和超声速燃烧的稳定性问题是制约超燃冲压发动机发展的两个关键气动物理问题.虽然经过50多年的研究,但是目前国内外对这两个关键问题的机理还没有研究清楚.文章首次将CJ爆轰理论应用于超燃冲压发动机推进性能分析,给出了这两个关键气动问题的理论分析结果.分析结果表明,燃烧室入口空气静温对发动机的推进性能产生重要影响.当爆轰波的爆速大于隔离段内空气来流的速度时,会向隔离段上游传播,导致发动机不起动.飞行Mach数Ma=6~8是超燃发动机的临界不稳定范围,飞行Mach数Ma>9,超声速燃烧将变得稳定.      

燃烧过程测量、模拟及爆震燃烧技术应用专题序言

爆震燃烧是基本的燃烧模态之一具有极高的强度和极快的燃烧速率以其构建热力循环并将其应用于先进动力装置具有区别于爆燃燃烧过程的显著优势是人们始终追求的梦幻动力.然而也恰恰由于爆震燃烧过程剧烈因此在受限空间内形成稳定、可控、高频率的爆震波成为挑战.在工程上发展稳定的爆震燃烧动力装置需要解决可靠点火起爆、燃料/氧化剂快速掺混、爆震波稳定传播等关键技术难题.近些年连续旋转爆震取得了长足的进展.连续旋转爆震仅需单次成功点火在环形或者圆柱形燃烧室内形成周向传播的爆震波从而使得不断充入燃烧室的未燃混合气快速起爆.基于连续旋转爆震的火箭发动机、冲压发动机甚至连续旋转爆震涡轮发动机都取得了创造性的成绩.尽管在工程化应用的征途上仍然需要解决诸多爆震物理基础问题和关键技术但人们孜孜以求的决心和动力从未泯灭也必将带来颠覆性技术的诞生.     

涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究涡轮导向器对旋转爆轰波传播特性的影响,以氢气为燃料,空气为氧化剂,在不同当量比下开展了实验研究.基于高频压力传感器及静态压力传感器的信号,详细分析了带涡轮导向器的旋转爆轰燃烧室的工作模式以及涡轮导向器对非均匀不稳定爆轰产物的影响.实验结果表明:在当量比较低时,爆轰燃烧室以快速爆燃模式工作;逐渐增大当量比,爆轰燃烧室开始以不稳定旋转爆轰模式工作;继续增大当量比,爆轰燃烧室以稳定旋转爆轰模式工作,且旋转爆轰波的传播速度和稳定性均随当量比的增大逐渐提高.爆轰波下游的斜激波与涡轮导向器相互作用,涡轮导向器对压力振荡的幅值具有明显的抑制作用,但对压力振荡频率的影响较小.随着当量比的增大,涡轮导向器上下游的静压均同时增大,经过涡轮导向器的作用,涡轮下游静压明显降低.     

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.      

隔板深度对激波聚焦起爆影响的数值模拟研究

考虑几何结构参数对激波聚焦触发爆轰波的复杂影响,对H2/Air预混气的环形射流激波聚焦起爆现象开展了数值模拟研究,详细分析了不同隔板深度条件下的激波聚焦过程、流场演化特征以及爆轰波参数变化规律。研究结果表明,凹腔内激波聚焦诱导的局部爆炸以及隔板前缘处射流形成"卷吸涡"是引起爆轰波触发的两个重要机制,而隔板深度是影响环形射流激波聚焦起爆性能的关键因素。随着隔板深度的增加,凹腔内激波聚焦的强度逐步增强,回传的能量损失有所减小,进而导致爆燃转爆轰的距离与时间显著缩短。此外,当隔板深度由1 mm逐渐增加至3 mm时,爆轰波自持传播稳定性呈现出先降低后升高的变化趋势,产生这一现象的主要原因是爆轰波强度与三波点运动的相互作用。     

氢气/甲烷-空气爆轰波在含环形障碍物圆管内传播的试验研究

在内径48mm、长度5 800mm的含环形障碍物圆管内,进行了氢气-空气及氢气-甲烷-空气的爆轰波传播试验研究,确定了爆燃转爆轰(Deflagration-to-Detonation Transition,DDT)极限。环形障碍物阻塞比为0.56,间距分为两种,即S=D和S=2D,其中S为障碍物间距,D为管道内径。火焰的速度由安装在管道壁面上的光电二极管采集得到。试验测量得到的火焰为准爆轰或阻塞火焰。在S=2D情况下得到的火焰速度均比S=D情况下的火焰速度高,并且靠近DDT极限时速度波动更明显,表明在间距较大的情况下爆轰的重起爆循环周期更长,类似于"弛振爆轰"。对于氢气-空气,障碍物间距为D时在DDT极限处有d/λ1(富氧条件下d/λ=1.6,贫氧条件下d/λ=1.4),间距为2D时更容易形成爆轰的重起爆,在DDT极限处与准则d/λ≈1一致;对于氢气-甲烷-空气,甲烷的添加使爆轰更不稳定,对于两种间距的障碍物得到的DDT极限均有d/λ≈1(d和λ分别为障碍物内径和爆轰胞格尺寸)。说明障碍物间距对爆轰波传播有显著的影响,即间距的增大更有利于爆轰波的传播。为形成准爆轰,障碍物内径必须至少可以容纳一个爆轰胞格,同时障碍物间距足够大从而引起爆轰的重起爆。     

旋转爆震燃烧室与涡轮导向器组合实验研究

旋转爆震涡轮发动机正获得广泛的关注,但旋转爆震燃烧室出口存在着高频的压力波动,压力波动会降低涡轮的工作效率并减小涡轮的工作寿命.基于旋转爆震波的传播特点,开展了旋转爆震燃烧室与涡轮导向器组合结构的实验研究.燃料为H₂,由位于燃烧室前端的120个小孔喷入燃烧室;氧化剂为空气,由径向环缝喷入燃烧室.在燃烧室内起爆旋转爆震波后,爆震产物直接流入导向器内.研究结果表明,随当量比的增加,燃烧室内爆震波的传播速度呈先增大后减小的趋势.在导向器出口仍存在与燃烧室内旋转爆震波同主频的振荡压力,但相对于导向器前的振荡压力,出口压力振幅减小了约64%.旋转爆震波传播速度的相对偏差先减小后增大,并且爆震波传播越稳定,其速度损失越小.      

BTF的细化方法探索

BTF[苯并三(1，2，5)-氧化二氮茂-(1，4，7)三氧化物，苯并三氧化呋喃]是一种安全性、热安定性、爆轰能量与HMX相当、冲击起爆感度、熄爆直径与太安相当的优良起爆药。为深入研究BTF性能、提高使用效果，采用冲击重结晶法、机械研磨法、喷雾干燥法探索超细BTF的制备。     

微纳米含能材料研究进展

含能材料的起爆、传爆、能量释放、安全等诸多性能在很大程度上取决于组分的颗粒尺寸及分布、比表面积、孔隙结构和组分均匀性等结构参数,微纳米含能材料由于可改变上述一个或几个参数而表现出与普通颗粒含能材料不同的性能。众多研究都表明：随着含能材料颗粒尺寸的减小,其性能将发生显著变化,如机械感度降低、高压短脉冲感度增加、爆轰更接近于理想爆轰、爆炸时释放能量更完全、燃烧效率提高、爆轰波传播更快更稳定、爆轰临界直径降低、装药强度提高等。     

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。     

强点火条件下RP-3航空煤油燃爆特性实验研究

为进一步探究影响RP-3航空煤油燃爆特性参数的因素,在内径为200mm、高度为5 400mm的立式激波管中,采用强点火方式,测定了其在不同浓度下的临界起爆能以及不同起爆能量、浓度当量比、喷雾压力下RP-3航空煤油的爆速和爆压。实验结果表明:航空煤油的临界起爆能随浓度当量比的增加先急剧降低,达到最小值后又缓慢上升,基本呈"L"形变化;在喷雾压力为0.20~0.60MPa、同一浓度条件下,RP-3航空煤油的爆速、爆压随喷雾压力的变化曲线呈倒"U"形;随着起爆能量升高,爆速、爆压均呈直线上升趋势,并且当起爆能量小于1.68MJ/m~2时,煤油未达到直接爆轰状态;燃料的爆速、爆压随浓度当量比的增加先上升后下降,其变化趋势也基本呈倒"U"形。     

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.