周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究

气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆, 稳态传播和失效机制都极为复杂, 很多物理机制尚不明确, 是当前爆轰物理领域研究的热点和难点. 本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究, 非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现, 重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响. 计算结果表明, ZND爆轰波在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两种竞争性因素: 一是爆轰波内在的不稳定性; 二是温度扰动的波长和幅度, 前者是内因, 后者是外因. 温度扰动的存在抑制横波的发展, 延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化, 并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象. 这说明, 温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展, 但是不能够终止这一过程. 温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲, 并在横波附近存在较弱的三波点结构, 即温度扰动可增加爆轰波固有的不稳定性, 改变爆轰波阵面的传播机理. 幅值较大的人工温度扰动可抑制爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性. 爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性.      

斜爆轰的多波结构及其稳定性研究进展

斜爆轰是气相爆轰物理的一个重要研究方向,在航空航天新型动力领域有重要的潜在应用价值.作为激波诱导的高速燃烧, 斜爆轰波可以简化为包含能量添加的间断面.然而, 斜爆轰流动中往往涉及激波、湍流等多种的流体力学现象,它们和燃烧放热耦合在一起, 导致流动和燃烧机理非常复杂. 一方面,斜爆轰波具有的多尺度和非线性的特征, 理论研究难以深入; 另一方面,爆轰波流场高温、高压、高速的特点, 又给实验研究带来了很大的困难.过去20年, 主要借助数值方法,研究者对斜爆轰波开展了系统的模拟和分析,在诸多方面取得了明显的进展.本文首先介绍了理想情况下的起爆区波系结构和波面稳定性研究进展;其次着眼于推进系统的问题,关注了非均匀来流效应以及斜爆轰波与稀疏波的作用;最后对未来的研究工作提出一些建议.      

气相爆轰波起爆与传播机理研究进展

对近年来气相爆轰起爆及传播在数值模拟和实验方面的研究工作进行了综述,结合作者近几年在这一领域开展的工作,评述了目前的研究热点和难点,简要指出了未来的研究方向。着重介绍了黏性扩散、详细化学反应机理、爆轰胞格不稳定性在爆轰起爆和传播理论和计算研究中的作用,以及爆轰波传播过程中实验技术和理论预测模型的进展。     

爆轰波在阻尼管道中声吸收的实验研究

实验旨在研究气相爆轰波在阻尼管道 (管壁上衬有吸收材料 )中传播时的衰减现象。先是在光滑管壁的管道中产生稳定的具有胞格结构的爆轰波 ,然后使其通过专门设计的管壁上衬有吸收材料 (金属丝网或不锈钢纤维 )的阻尼段。利用高速摄影、压力传感器和烟迹技术等手段 ,记录和测试了阻尼段对几种混合气体爆轰波的传播速度、爆压及胞格结构产生的影响。实验分别在方管和圆管中进行。发现在某些条件下爆轰波可以被衰减成强爆燃。     

立式激波管内云雾爆轰胞格尺寸的测定与分析

采用烟迹技术在立式激波管中测定了环氧丙烷、90#汽油、硝酸异丙酯、庚烷、癸烷、戊二烯等几种燃料气液两相云雾爆轰的胞格尺寸。结果表明,云雾爆轰的胞格尺寸随当量比的变化呈U形曲线关系,且最小胞格尺寸并不是对应于等化学当量比而是偏向于富燃料一侧,这与气相爆轰的结论是一致的。胞格尺寸随起爆能的增加而减小。当起爆能达到一定值后,胞格尺寸变化不明显,若起爆能继续增加,在通常的胞格内出现精细结构。云雾爆轰波胞格长度与宽度的比值比气相爆轰小。另外,根据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因素。     

管道内全阻塞障碍物对气相爆轰波传播特性的影响

建立了长2 800 mm、内径为50 mm的圆管内爆轰波传播实验装置,采用光电二极管探测火焰锋面以获得爆轰波的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波的胞格结构。通过在管道不同位置设置阻塞率为1的聚丙烯薄膜,研究不同初始压力下不同氩气稀释浓度的C₂H₂+2.5O₂+nAr预混气体爆轰波在通过全阻塞障碍物前后传播速度及胞格结构的变化。结果表明,气相爆轰波在达到稳态爆轰后,在通过全阻塞薄膜障碍物的过程中会产生2种不同的传播形式:速度亏损和爆轰失效。气相爆轰波穿过不同区域的传播过程可以分为3个阶段:稳态传播阶段、速度亏损阶段或爆轰失效阶段、过驱爆轰阶段。     

气相爆轰波在90矩形弯管中传播时胞格结构的演化

利用烟迹技术实验获得气相爆轰波在90矩形弯管中传播时留下的胞格图案，详细分析了胞格结构在矩形弯管中的演化规律。同时分析了90矩形弯管的曲率半径和预混气体初始压力对胞格结构演化的影响。实验所采用的预混气体初始压力为33.3、26.7、24.0、16.0、10.7 kPa，90矩形弯管的曲率半径分别为100、50 mm。研究爆轰波胞格结构在弯管中的演化过程有助于深入了解气相爆轰波绕射机理和石油天然气等管道设计。     

多孔钢板对气相爆轰波传播影响的实验研究

本实验旨在研究气相爆轰波在衬有多孔钢板的管道中传播的现象。先是在光滑管壁的管道中产生稳定的具 胞格结构的爆轰波,然后让它通过专门设计的管壁上衬有多孔钢板的阻尼段。利用压力传感器测量了氢氧混合气体爆轰波在阻尼段中的传播速度和爆压。发现爆轰波在通过阻尼段时有先衰减后又加强的现象。证实了多孔钢板等一类吸收材料既有吸收横波削弱爆轰波的作用,又有加强湍流使爆轰波得以恢复的作用。文中对吸收材料的粗糙表面产生自发转换形成新的横波的机制进行了探讨。     

超音速来流中爆轰波衍射和二次起爆过程研究

预爆管技术被广泛地应用在爆轰波发动机的起爆过程中,但是在超音速来流中基于预爆管技术起始爆轰波的研究并未被广泛地开展。基于此,本文中数值研究了横向超音速来流对半自由空间内爆轰波的衍射和自发二次起爆、及管道内的衍射和壁面反射二次起爆两种现象的影响。数值模拟的控制方程为二维欧拉方程,空间上使用五阶WENO格式进行数值离散,采用带有诱导步的两步链分支化学反应模型。所模拟的爆轰波具有规则的胞格结构,对应于用惰性气体高度稀释过的可爆混合物中形成的爆轰波。结果表明:在半自由空间内,在本文所模拟的几何尺寸下,爆轰波并未成功发生二次起爆现象,但是爆轰波的自持传播距离随着横向超音速来流强度的增强而增加。在核心的三角形流动区域外,波面诱导产生了更多的横波结构;在管道内,横向的超音速来流在逆流侧对出口气流产生了压缩作用,能有效提高波面压力,因此反射后的激波压力也比较高。在同样的几何尺寸下,爆轰波在静止和超音速(Ma=2.0)气流中分别出现了二次起爆失败和成功两种现象,这是由于在超音速来流中化学反应面的褶皱诱导产生了横波结构,横波与管壁以及其他横波之间的碰撞提高了前导激波的强度,并最终促进了爆轰波在超声速流主管道内的成功起始。     

气相爆轰波传播过程中的自点火效应

基于基元反应模型和单步反应模型,对直管道中H₂-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间,并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明,胞格宽度与点火延迟时间成正比;爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知,爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配;当二者相匹配时,经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体,在短时间内实现了自点火,同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进,即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。     

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.     

射流对工业炸药的引爆及侵彻机制

本文用脉冲X光摄影技术及电探极-记录仪系统,对射流引爆及侵彻工业炸药的过程进行了观测,探讨了的流引爆及侵彻工业炸药的机制,给出了射流与工业炸药作用过程的物理图象。     

氢氧燃烧及爆轰驱动激波管

分析并观察了沿驱动段轴向分布多火塞燃烧驱动段的性能．提出主膜处同一管截面均匀分布三火花塞引燃的点火方法．用这种点火方法驱动产生的入射激波强度重复性较高,激波后气流速度、温度和压力的定常性亦大大改善,可满足气动试验实际要求．提出在驱动段尾端串接卸爆段来消除爆轰波反射高压,从而可使反向爆轰驱动段用来产生高焓高密度试验气流．这种反向爆轰驱动产生的入射激波重复性高,激波衰减弱．在主膜处的收缩段产生的反射波可缓解爆轰波后跟随的稀疏波的不利影响,从而使前向爆轰驱动具有实用性．在产生的入射激波强度相同条件下,前向爆轰驱动所需的爆轰驱动段可爆混合气初始压力可较反向爆轰低近一个量级．     

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.     

粘弹塑性热点燃烧模型的冲击起爆理论

本文作者建议一种粘弹塑性燃烧模型作为冲击起爆的物理图象,并由此导出了著名的冲击起爆判据p~2=常数。     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

大型水平爆轰管中悬浮铝粉爆炸过程的实验研究

铝粉的燃烧与爆轰性能是粉尘爆炸领域研究的热点.利用长29.6m,内径199mm,配有40套喷粉扬尘系统的水平爆轰管,在40J电火花点火条件下,实现了悬浮铝粉-空气混和物火焰加速、爆燃、爆轰及其转捩过程,测得了爆炸波传播过程中的压力信号,并且观察到了爆轰波的稳定传播现象.实验结果表明,当铝粉浓度为300 g/m3时,在距离点火端10.15m(长径比L/D=51)处发生了DDT,测得的爆轰波传播过程中管内的最大爆速为1840m/s,最大峰值超压为10.5MPa.铝粉尘爆炸波在爆轰管内的传播过程可分为爆燃段、爆燃转爆轰(DDT)、爆轰增强以及稳态爆轰四个阶段.     

Distinctive features of galloping detonation in a supersonic combustible-mixture flow under an inert gas layer

The problem of detonation initiation in a supersonic flow of a stoichiometric propane-air mixture occupying partially or completely the cross-section of a plane channel is considered. The initiation in the flow is produced by a step or a wall completely cutting off the flow. The study is conducted within the framework of one-stage combustion kinetics. A numerical method based on the Godunov scheme is employed. The critical conditions for detonation formation are determined in terms of the oncoming flow velocity. A previously unknown mechanism of detonation propagation is found; it is related with the presence of the combustible mixture in the wall layer under an inert gas layer. It is due to the formation of a complicated wave structure of the flow characterized by the penetration of a shock wave formed in the inert gas layer into a combustible mixture layer ahead of the detonation wave with the result that the latter layer is heated and ignited. The process as a whole is periodic in nature, as distinct from the conventional cellular detonation in a homogeneous fluid. Many problems arise in connection with the use of detonation in engines and other power plants. The most important among them are detonation excitation and stabilization in combustion chambers. The detonation initiation within a layer under conditions of unbounded space and a fluid at rest was experimentally investigated in [1]. In the case of a combustion chamber bounded in the transverse direction, some new effects accompanying the detonation might be expected.     

复合推进剂的冲击波起爆和爆轰过程研究

本文应用拉氏量计和拉氏分析技术研究了,两种常用的复合推进剂(聚硫和丁羟复合推进剂)的冲击波起爆和爆轰过程。在冲击波起爆过程中,压力等参量出现双峰现象,化学反应由三个阶段完成。在爆轰过程中,反应区宽度5mm以上,属于非理想爆轰过程。最后基于组分实验结果,进一步分析了复合推进剂,在冲击波作用下的化学反应过程,结果表明,双峰现象和多反应阶段的出现是由于高氯酸铵和粘合剂之间的相互作用的结果。     

多障碍物通道中激波诱导气相爆轰的数值研究

应用数值模拟方法,研究了直通道中激波经过多块矩形障碍物时诱导 H2/O2混合气体起爆的物理机制. 研究表明：在前导激波强度不足以诱导波后气 体直接起爆的条件下,经过激波压缩的可燃气体也可能在远离激波的障碍物之间的凹槽部位 起爆;障碍物表面产生的压缩波、膨胀波和气流滑移面对可燃气体的起爆、爆轰波的形成和 传播过程有重要的影响;添加不同稀释比的氮气可以影响爆轰波后流场的温度分布;增加障 碍物的间距可以改变可燃气起爆位置.