激波管

在流体力学的实验研究工具中,没有任何一种设备,在应用范围的广度上,能与激波管(及其改型)相匹敌。第二次世界大战以来约三十年中,激波管获得了极大的发展,在激波动力学与气体的非定常运动,高超声速气体动力学与热交换,高温气体物理学,化学反应动力学,以及等离子体和电磁流体动力学等学科领域内,都用它来进行广泛的基本理论的实验研究。激波管最大的优点是能把被研究的气体准确加热到预期的速度、压力和焓值。速度可达几万米/秒;压力上万个大气压;温度高达几万度。它的缺点是试验时间短暂,一般约为毫秒量级。因此对测量技术的要求较高。经过达二、三十年的努力,激波管的测量技术,比它     

激波管与激波风洞的研制——俞鸿儒院士访谈录

激波管是实验室内产生激波的设备,大型激波风洞在空气动力学方面有广泛的应用. 俞鸿儒院士是我国最早研究激波管和激波风洞的科学家之一,参与并主持了激波管与激波风洞的研制. 本文通过访谈整理了激波管自动破膜,激波风洞氢氧燃烧和爆轰驱动技术的相关研究过程,并介绍了激波风洞研制过程中相关测试仪器的设计和改造情况.     

气相爆轰激波管实验研究综述

在广泛调研国内外利用激波管进行气相爆轰基础实验研究的基础上,从宏观和微观两方面归纳总结了气相爆轰基础研究的内容。宏观方面主要研究气相爆轰在光滑直管道中或非理想条件下的传播规律;微观方面主要运用谱仪技术与化学反应动力学相结合的方法,研究气相爆轰激励下,含能材料发生快速反应的微观机理。文中调研和总结的研究方法和技术,可为利用激波管开展气相爆轰基础研究提供参考。     

用激波管研究高温气体辐射

研究高温气体辐射的意义近20年来,由于空气动力学和爆炸波研究而发展起来的激波管,已成为具有广泛用途的实验工具,尤其在研究高温气体中的化学物理过程方面,更显示出它的独特优点.在激波管内,低压气体受激波加热而获得瞬时的高温.在其内部强烈地发生着各种原子和分子的过程.所有这些过程都可能伴随着光辐射现象.因此,研究高温气体的辐射,是探索高温气 ...     

固体中的激波构造

由于测试技术的发展,固体中激波过渡带构造的测量与理论研究,近年来在爆炸力学的基本研究中已形成一中心课题。其方法是利用位错动力学的知识,试定塑性流函数,来计算激波过渡带中各参量分布,并与观察结果比较。由于目前位错动力学本身发展还不成熟,因此对试定流函数正确与否,只能依赖大量的数值计算,在可调参数较多的情况下,就容易造成概念上的含混和分析上的困难。 本文认为,此类问题的研究,应先多作物理模型分析,我们选强度为几十万大气压以上的定常激波为研究对象,是因为在这特定条件下,可以大大减少可调节参数的数目。这样所得的结果,物理意义明确,易定取舍。本文所得结果是:给出计算激波过渡带中各力学量分布的方法;指出主要调节参数应为起始位错密度与饱和位错密度之比;另外在激波强度增至几十万大气压时,过渡带的厚度在量级上未见减少,仍为10~(-2)—10~(-3)厘米。     

由激波诱导产生的二维圆柱上的非定常阻力

激波管是一种具有结构简单、参数可调范围大和使用方便等特点的气体动力学试验装置。因此,它在跨声速和超声速流的实验研究中得以广泛地应用。但由于激波管中气流的持续时间很短(通常为毫秒量级),所以在激波管中直接测量试验模型上的压力分布等气动参数将是十分困难的。本文利用马赫-曾德干涉仪在激波管中拍摄出激波在二维圆柱上的绕射和反射时的干涉图,直接给出了整个流场的密度分布。再由波后气流满足等熵关系式,可以计算得到流场的压力分布和非定常阻力的大小。     

激波反射现象的研究进展

本文依据激波反射研究领域最近十几年的研究热点问题,回顾了激波反射现象的主要研究成果,并着重介绍了以下几个方面的最新研究进展:弱激波的反射结构、运动激波反射的各种反射结构及转变准则、定常激波反射波形结构的分析以及激波反射的迟滞现象等.考虑到三维激波反射重要的工程应用需求,本文还介绍了三维激波反射的研究进展与目前存在的问题.最后,作者从激波动力学的视点出发,探讨了激波反射方面未来的学科发展方向和需要深入研究的问题.      

郭永怀先生引导我做实验

1957年1月,我在清华园第一次见到郭永怀先生。当时郭先生承担主讲清华大学和力学研究所合办的力学研究班'流体力学'讲座,他对我们几个流体力学辅导教员说：实验工作很重要,今后你们的主要工作就是准备并指导实验。为此他亲自带我们去北航参观风洞实验室并拜访陆士嘉先生。力学研究班开学后不久,我接到中国科学院研究生录取通知,便到力学研究所报到。恰巧导师就是郭先生。郭先生当时共指导5名研究生（3名流体力学,2名物理力学）,他指定4人做实验,我是4个做实验的研究生中的一个。郭先生自己擅长理论研究,为何回国带首批研究生就让这么多人投身实验工作？郭先生说：无论是国内或是国外,中国人会做实验的很少。考虑到为中国力学事业打好基础,他引导研究生们投身这一薄弱环节。力学研究所当时只下设研究组,先后成立了弹性力学组、塑性力学组、空气和流体动力学组、自动控制理论组、化学流体力学组、物理力学组、运筹学组、激波管组和等离子体动力学组[1]。从设立做实验的激波管组这件事,可看出力学所非常重视实验工作。中国学生为何不愿做实验？丁肇中先生在诺贝尔科学奖授奖仪式中用汉语发表的演讲中谈到这个问题[2]。他说："我是在旧中国长大的,因此想借这个机会向发展中国家的青年们强调实验工作的重要性。中国有一句老话'劳心者治人,劳力者治于人。'这种落后的思想对发展中国家的青年们有很大的害处。由于这种思想,很多发展中国家的学生们都偏向于理论的研究,而避免实验工作。"此外,做实验是需要经费和技术支持的。发展中国家缺乏这些条件,恐怕也是不愿做实验的一个原因。郭先生一方面要我们做实验,同时要我们重视创立节省经费和降低高技术支持的巧实验方法,以适应经济、技术条件差的环境。二郭先生回国前,在Cornell大学航空研究院工作,当时那里是国际激波管研究中心。因此他熟悉激波管的性能及其用途,了解激波管结构简单造价低,实验时间短而耗能少。在超高速流领域,激波管是唯一的固定模型试验设备,已产生的试验气流速度高达15km/s[3]。郭先生认为[4]："这一方面的技术目前正在发展,前途是无限的。" 郭先生回国时带回许多激波管资料。从1957年夏开始,他让我阅读这些资料。1958年初,刚搬入新建的力学所大楼后,郭先生将陈致英、范良藻（物理力学研究生）、俞鸿儒（流体力学研究生）和张德华、何永年（新分配来的北大力学系毕业生）五人召集在一起,宣布成立激波管组并指定我当组长。当年"七一"献礼会上,我代表激波管组表决心："奋战三昼夜,设计出激波管。"设计完成后,郭先生请他的朋友（北京仪器厂总工程师）安排,及时将激波管加工好,十天后运回安装并开始破膜试验和测量激波速度。当年"八一",这台激波管被选送进中南海向党中央献礼。1958年秋力学研究所机构大攺组。激波管組只留下我一个人,增加刚分配来所的赵素雯和各分院培训人员并编入第一研究室。同年年底,激波管組全体人员奉调支授140部超声速风洞建设,实验装置交给崔季平。1959年底,超声速风洞完成建造工作,后续工作划归空气动力学研究室超声速风洞組。此时业务处向我传达所决定：让我们继续做激波管工作,仍由郭先生直接指导。1960年初,开始安装已加工好的JF-4直通型激波风洞。不久,崔季平等同志也调入该組。以后他们调去物理力学研究室,成立高温气体组。1967年7月郭先生担任国防科委空气动力研究院筹备组主管技术工作的副组长,随后空气动力学研究室激波管组和物理力学研究室高温气体组划归空气动力研究院,并于1969年底编为超高速研究所504研究室。1976年回归力学所后,命名为第八研究室。三做实验首先要创建实验条件,建造实验装置并配备测量仪器。郭先生没有让我仿造马上就可使用的装置。郭先生对我说：大型高超声速风洞将来是不可缺少的。我国经济和技术基础还很差,难以仿效发达国家依靠大型常规高超声速风洞做试验的途径。何况常规风洞加热达到的高温受限,难以模拟超高速飞行器周围的高温绕流。激波管能产生高温和高压气体且费用低廉,他让我探索在国内条件下研制激波风洞的方法。郭先生估计我们做这项工作有相当大的难度,为此他为我们营造能专心工作的环境。一是无需制定进度计划,只要求持续不断的有正面或反面的进展。再就是想怎么干就什么干,把想法和结果告诉他就可以。当我们开始调试激波风洞时,首先需要决定采用何种驱动方案。氢氧燃烧驱动具有驱动能力强和费用省的特点,五十年代初就受到各先进国家广泛重视。但是国外多年实践经验表明：产生的试验气体品质差且潜伏重大危险,已基本放弃而改用耗气量大以及技术装备复杂的高压氦或氢驱动[5]。我们经过慎重考虑,决定从克服氢氧燃烧驱动存在的缺陷着手工作。如成功将可大大节省投资并减轻对技术装备的要求。在探索产生潜伏重大危险根源的实验过程中,可能还会发生事故。郭先生考虑到这个问题,他要求我们格外小心,要绝对防止人身伤亡,并事先向所领导作了说明。后来进行探查实验时,出现了几次事故。由于郭先生预先做了工作,领导和周围同志不仅能理解,还给予安慰与鼓励。郭先生对我们也有要求,不过没明说。他从未让我去办公室汇报工作,而是在他会议或工作间隙时到实验室来看我们。来的时间事先无法约定,大约一、两个星期来一次,前后十来年间只有一两次他来实验室时我不在场。他不喜欢做实验的不在实验室,还要求实验工作者要自己动手做实验。我们自己安装实验设备,清洗真空泵,改装或研制仪器,他看到后都很高兴。郭先生来实验室后不让我们停下工作向他汇报,而是边工作边回答问题或向他提问题。他多次说过,他自己不会做实验,但对实验方法和具体的技术都很关心。他来实验室的时间有早有晚,但大多都快下班时才离开。郭先生希望我们不要依赖先进的仪器设备,而要多动脑筋想办法解决问题。为了培养我们克服困难的能力和作风,他严格限制科研经费的使用。下面列举几个实例展示我们如何贯彻他提出的要求：（1）激波管和激波风洞特别适合气动加热率测量,开展这项工作的核心传感器为薄膜电阻温度计。当时国际上普遍采用一种特制的浆液制造薄膜,由于禁运,无法得到这种材料。我们便改用蒸发溅射制造薄膜,虽然麻烦但形成的薄膜品质更高。以后我们的经验推广到国内有关单位,90年代我将这种制造工艺介绍给德国亚琛激波实验室,目前国外许多实验室也攺用我们的工艺制造薄膜电阻温度计。（2）激波管和激波风洞实验时间很短促,因此各项操作的延迟时间要很准确。采用电阻、电容或电感组成的延时线路,有时调不准或者调准了又发生飘移,容易导致实验失败。六十年代初市场上尚无数字延迟器产品,我们自己动手将实验室的数字记时器改造为记时和延迟两用,延时精度为1微秒,扩展了数字计时器的功效并在实验中发挥了重要的作用。（3）高超声速风洞的喷管都采用合金钢或不锈钢制造,价格比较贵。我们经过分析和实验验证后改用优质铸铁制造喷管,由于材料费便宜和加工容易,造价可降低一个量级。这些喷管已正常使用40余年。（4）在进行膜片处点火的氢氧燃烧驱动实验时,出现了异常。根据声响、振动和入射激波传播特征,我们认为出现了反向爆轰驱动。郭先生指出证据不足,要我直接判定驱动段内究竞是燃烧还是爆轰。当时我们的观察手段极其缺乏,连测压传感器都没有,只能靠知识去判定。由于火焰阵面传播速度比较慢,燃烧过程中容器各处压力缓慢上升,破膜压力与膜片强度直接相关。爆轰波以超声速传播,波后压力突然升高,破膜压力与爆轰气体初始参数有关,而与膜片强度无直接关系。我们据此将燃烧驱动与爆轰驱动区别开。郭先生认同我们的方法,并给予他很少表示的赞许。实验工作的核心是用实验手段开展研究工作。但到郭先生殉国前,我们只完成激波风洞研制和基本测量系统的配备。70年代中,国家组织"气动攻关"时,极需大型高超声速风洞。我们研制成的耗资极少的JF-8激波风洞和瞬态测量系统赶上了急需,利用它解决了设计与试飞中出现的疑难问题,并提供了大量设计必需的数据。至此突显郭先生十余年前预见的英明。四郭先生指导学生工作,采用启发诱导的方法。经常只提问题,要你自己去解答。有时也讲他的想法,但马上会跟上一句,希望我们找到更好的做法。郭先生根据学生具体条件,因材施教。我们那一届研究生,限招有工作经验的。由于力学所当时的声望,力学所招收的20名研究生中,短的已工作二三年,长的甚至超过七八年。因此郭先生并未要求我们读大本书,而是立即指导我们开展工作,边干边学。当时力学所各研究组以学科分组,组长都是归国的科学家,而激波管组是以发展实验新技术为主要任务的组,郭先生让研究生当组长,放手让他们去创新路。五除了向郭先生学习做研究工作外,出于对他的崇敬,还仿效他为人处事的原则。跟随郭先生工作的头两年,他没有后来那么忙,与他接触的机会较多。当时政治运动一个接一个,在会议上发言左右为难,我们问他该怎么办？他劝我们尽量少说,但无论如何都不能说假话。郭先生一天到晚都在办公室工作,有一次在力学所小楼对面化学所礼堂里碰到他,他在里面看了几分钟电影便走了出来。我也跟着他回办公室,他告诉我：在美国的十多年里,只看了很少的几场电影。听了郭先生的话后,心想自己条件不好,应该更专心去工作。从那时起,便很少看电影,培养专心工作的习惯。那几年,早饭后进实验室,除了吃饭午休,基本上要到晚上十点钟以后才离开实验室。1964年,中国科学院开展四清运动,由于害怕被批为"白专",晚上不敢再多呆了。但专心工作的习惯仍未攺变,在文化大革命高潮的1967年上半年,偷偷地请来两位起重师傅并约李振华一起将JF-8激波风洞安装起来。在文化大革命高潮期间坚持实验工作,竟然还会获得意外的支持。在调试JF-8激波风洞时,我们向兵器科学研究院借用一台从西德进口价值30余万美元的高速照像机。他们的领导知道后感到不解,这种时候还有人借用仪器？便来我们实验室想看个究竟,他们到实验室时,我们正在用其做实验。他们说：这种时候你们还能做实验,这台像机就送给你们用吧！我们感到这么贵重的仪器怎好收受,他们说送给你们用,总比还回去让造反派砸碎了好吧,于是很快便办好调拔手续。不久又从兰州调拨来一台价值数十万元的大型罗茨真空泵机组。有一次和院部管器材的同志一起参观外国仪器展览会时,我对他说我们急需展览台中的一种仪器。不料展览会结束后,这台仪器便送到实验室来了。对实验工作者一直流传一些看法,诸如做实验的敲敲打打水平低,做实验的不祘科研人员…等等,因此有人不愿意或不安心做实验。郭先生和力学所的前辈却不仅重视实验,也十分尊重实验工作人员。尤其是郭先生鼓励我们要做敢为人先的工作,让我们在工作过程中体验到其中的乐趣,从而坚定信心做自己喜欢做的事情。郭先生在力学所选择并安排了很多前瞻性课题。这些课题研究内容不是趋之若鹜的当前热门,却都是完成后对国家重大需求能发挥重大作用的关键问题。以自己的水平,还难以像他那样选好题。但学习先生的选题准则,始终是我不变的目标。非常庆幸在郭先生回国两个月后,就能在他指导下工作。值此郭先生诞辰100周年之际,深切怀念与感激先生对我的培育。     

第24届国际激波学术会议简介

国际激波学术会议（International Symposium on Shock Waves,ISSW）是国际上激波研究领域的重要系列学术会议.从1957年第一届会议在美国波士顿召开起,每隔两年召开一次,至今已召开24次.     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

序

激波作为气体动力学最具特色的基本物理现象之一,表现出强间断与非线性的物理特征.激波能够在超/高超速气流内部诱导漩涡,生产复杂的气体物理过程;激波能够诱导热化学反应,构成了高温气体动力学和凝聚态爆轰动力学的学科基础;激波还能够压缩可燃气体和可燃气固两相物质实现其自点火,形成能够以超声速自持传播的燃烧激波|{爆轰波.激波与爆轰物理的相关研究已经有一百多年的历史了,在各种爆炸现象的预防与弱化及其应用与防护方面;在天体物理领域的超新星和恒星的演化乃至宇宙大爆炸理论探索方面;在现代武器技术和医疗技术领域的应用方面发挥了日益重要的作用.特别是近十几年来,随着高超声速和空天飞行器研制的进展,激波与爆轰研究在近空间飞行器的气动布局,先进高超声速推进技术,高焓气体流动的气动力/热问题研究方面得到了广泛的重视和深入的探索.      

快速静电探针的研制与应用

静电探针作为等离子体诊断的一种基本手段,在许多高温气体动力学的地面模拟实验设备(诸如电弧加热器、等离子体风洞、火箭发动机、激波管、高速弹道靶等)以及再人飞行试验中均有广泛的应用。因此,它对于同遥测、通 ...     

生物激波管及动物耐受性的实验研究

在冲击伤研究中,必须针对两种试验方式分别对致伤机理、耐受性和机体瞬时动力学响应等进行研究。只有这样才能得到近真实的研究结果。文中介绍了能够模拟爆炸波波形因素和满足动物冲击伤实验研究物理参数要求的BST-Ⅰ型生物激波管。它是国内第一台用于生物实验的激波管。文中有应用该管开口和端板的两种实验方式,选用51只成年雄性杂种狗作耐受性实验观察。对实验结果作了分析。     

激波诱导两相流中影响阻力系数的特性参数研究

基于双流体模型 ,利用Euler Lagrange组合方法 ,对激波诱导的气固两相流场进行了数值计算 ,系统研究了影响颗粒群阻力系数的几个重要特性参数。结果表明 :目前采用激波管技术研究非定常条件下颗粒群阻力系数时界定这些因素的影响程度是必要的。     

激波管研究高温气体的非平衡辐射特性

一、引言 在现代工程技术、激波结构的计算、实验室的激波物理现象研究和非平衡辐射诊断中,高温气体非平衡辐射性质的研究,在理论和实际中都有重要意义。早在五十年代,有的学者就观察过高温气体的非平衡辐射;六十年代初,国外许多学者对此感兴趣,但其定量测量还是在Lin设计出直径为24英寸的低密度激波管后做出的。关于非平衡辐     

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.     

激波喷出过程和在林带中的传播

运用激波管技术研究了激波从管口喷出和在林带中传播这两个基本问题。给出了三方面的结果 :揭示了激波从管口喷出时的复杂流场 ,显示了主激波弯曲和衰减 ,二次激波的形成和合拢 ,涡环的长大和发展 ,以及涡环前缘出现正激波等基本物理现象 ;显示了激波在林带中的传播过程 ,取得了激波遇林地的反射 ,马赫杆形成 ,激波与林冠的相遇 ,林冠对涡环的阻滞效应等纹影照片 ;沿激波在林地的传播方向测量了地面压力 ,证实林带有明显的消波效应。     

一种新的运动激波--非定常边界层相互干扰现象

本文探讨了一种新的激波－非定常边界层相互干扰现象，这种激波－边界层干扰现象既不同于定常激波－边界层干扰现象，又不同于激波在端面反射后与该激波所诱导的边界层之间的干扰现象，而是运动激波与稀疏波和第一激波所诱导的非这常边界层之间的干扰现象，本文对这种现象用微波动力学理论进行分析，并把这种干扰现象看成激波的绕射现象，同时在稀疏波破膜的双驱动激波管中进行实验观察，最后把理论分析与实验观察进行了比较。     

爆轰驱动高焓激波膨胀管性能研究

介绍了中国科学院高温气体动力学实验室JF-16爆轰驱动高焓激波膨胀管的研制进展及其性能测试结果. 性能研究主要测量了入射激波速度和压力曲线. 根据入射激波速度,应用Mirels的黏性激波管理论计算了超高速试验气流的运动速度,然后应用Gaseq软件计算了试验气流的热力学参数. 研究结果表明:在16.35\,m长的JF-16激波膨胀管中获得了流速7\,000\,m/s以上的稳定试验气流,试验时间为50$\sim$100$\mu$s, 试验气流总焓30\,MJ/kg左右.      

JP-10裂解的激波管实验与动力学模拟

利用单脉冲激波管对碳氢燃料JP-10在1150～1300 K条件下的高温热裂解特性进行了实验研究,采用气相色谱法分析热裂解产物并获得了热裂解速率系数.主要裂解产物有乙烯、乙炔、丙烯、丁烯、1,3-丁二烯、环戊二烯、环戊烯、苯、甲苯,以及少量的甲烷、乙烷、二甲苯和甲基环戊烯.将每次激波管实验后所有产物浓度累加, JP-10裂解速率系数由实验测定.为了消除激波运行中非理想性和边界层效应导致反应温度确定的误差,采用对比速率法确定裂解温度,即在反应物中加入少量热解速率已知的内标物,根据内标物在相同的激波管实验条件下的裂解程度确定反应温度.根据内标物裂解量确定的激波管裂解反应温度通常小于采用传统测量激波速度由激波关系计算的反射激波后5区温度.在1200～1300 K之间两种方法得到的温度吻合得较好,差异在20K以内,随着温度升高,两者差异增大.在实验研究的基础上,依据San Diego Mechanism对JP-10高温裂解过程进行了动力学模拟.结果显示:主要裂解产物中乙烯、乙炔和1,3-丁二烯产量随温度变化的实验值与San Diego Mechanism的模拟结果有很好的一致性,但环戊烯产量的实验值比模拟值高很多,预示JP-10裂解中完全开环和部分开环反应都是重要的裂解通道.