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。     

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。     

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。     

煤油液滴直径对两相旋转爆轰发动机流场的影响

为探究煤油液滴不同初始直径对气液两相旋转爆轰发动机流场的影响,假设初始注入的煤油液滴具有均匀直径,考虑雾化破碎、蒸发等过程,建立了非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,进行了液态煤油/高温空气爆轰的非预混二维数值模拟。结果表明：在初始液滴直径为1～70μm的工况范围,燃烧室内均形成了单个稳定传播的旋转爆轰波;全局当量比为1时,爆轰波前的空气区域大于液滴煤油的蒸气区域,导致波前燃料空气混合不均匀,波前均存在富油区和贫油区,两相速度差导致分离出的空气形成低温条带;当煤油液滴的初始直径较小时,波前的反应物混合过程主要受蒸发的影响,爆轰波可稳定传播;当直径减小至1μm时,煤油液滴在入口处即蒸发,旋转爆轰波表现为气相传播的特性,爆轰波结构平整;当煤油液滴的初始直径较大时,波前的反应物混合过程主要受液滴破碎的影响;对于相同的燃料质量流量,在不同初始煤油液滴直径工况下,煤油液滴最大的停留时间均占爆轰波传播时间尺度的80%以上;爆轰波前燃料预蒸发为气相的占比越高,爆轰波的传播速度越高;初始液滴直径为10～70μm的工况范围内,爆轰波的速度随初始直径的增大先升高后降低。     

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明，标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波，爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构；爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点，而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动；可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响，但是初始温度的影响大得多。     

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.     

气云爆轰的一维模型

激波作用下，悬浮液谪在高温、高压和高速气流中变形、蒸发、剥离甚至破碎。雾化燃料经过一段延迟时间后点火燃烧释放出大量的能量。这些能量由局部爆炸波所携带，通过碰撞传递给引导微波，从而使气云爆轰波自持。文中提出的气云爆轰的一维模型考虑了上述基本过程，并从理论上推导了点火面和ＣＪ面的判据。通过计算，文中讨论了气云爆轰的松弛结构和影响ＣＪ爆速的因素，爆速的计算值与实验值基本相符。     

斜爆轰波面上复杂结构的数值研究

利用欧拉方程和单步化学反应模型, 对斜爆轰波进行了数值模拟, 重点研究了斜爆轰波面上多维复杂结构的形成机理. 数值结果显示在斜爆轰波面上, 存在两种小尺度的激波和火焰耦合结构: 第1种结构由一道横波和三角形火焰组成, 是斜爆轰波中特有的结构; 第2种结构由两道横波和凸起的火焰面组成, 类似于正爆轰波面上的胞格结构. 数值结果表明这两种结构具有相同的形成机理, 而且能够相互转化, 它们的形成和发展过程受到来流马赫数和化学反应放热速度等参数的影响.      

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。     

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。     

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.     

爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4m的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。     

T型管内流动气体中爆轰绕射过程的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对H₂、O₂、Ar体积比为2:1:1的混合气体系统在T型管内的爆轰绕射进行了数值模拟。用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波在静止系统和流动系统中的传播过程,得到了温度、压力、典型组元H质量分数的分布及数值胞格结构。结果表明:在流动系统中,迎风面上波阵面为斜爆轰结构,静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波;在水平管中,波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞后,最终形成正爆轰;在流动系统中,胞格结构明显向下游偏移;横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。     

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.     

2021-08期封面

铝粉反应模型是对悬浮铝粉尘气-固两相爆轰进行数值模拟研究的关键。通过考虑铝粉燃烧产物氧化铝（Al₂O₃）在高温下的分解吸热反应,改进了铝粉的扩散燃烧模型。将该模型嵌入到三维的气-固两相爆轰数值计算程序中,分别对铝粉/空气混合物以及铝粉/氧气混合物的爆轰进行了数值模拟,计算得到的稳定爆轰波速度与实验结果、文献值均吻合较好,误差小于5.5%,表明改进的铝粉反应模型适用于不同氧化气体氛围中铝粉尘爆轰的模拟计算。此外,对两相爆轰参数及爆轰流场的物理量分布进行分析,获得了铝粉反应模型对爆轰波结构的影响规律。     

可燃气体中激波与障碍物作用在下游形成爆轰波的数值研究

对平面激波和单个矩形障碍物作用的过程进行了数值模拟,研究了反射产生的上行爆轰波在下游可燃气体中形成爆轰波的过程。数值结果表明,下游爆轰波形成过程主要有2种模式:爆轰波直接绕射和绕射波在上壁面反射,这和已有的实验结果是一致的。通过研究下游爆轰波的形成过程受入射激波马赫数、混合气体的压力和管道尺度的影响,分析了上游爆轰波向下游传播的波动力学过程,讨论了2种形成过程的作用规律和控制因素,阐明了下游爆轰波的形成规律。     

含尘气体中的非定常激波

对含尘气体中非定常激波进行了实验研究和数值模拟。实验在垂直两相激波管中实现。气体与含尘气体之间分界平面的形成以及分界面处粉尘浓度的瞬时测定为实验研究提供了有效的手段。在双流体模型基础上，应用时间分裂法，将ＴＶＤ格式和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式分别应用于气相和颗粒相方程，模拟了激波与含尘气体相互作用现象，讨论了含尘气体物理参数对激波传播行为的影响。计算结果与实验现象符合较好。     

气相爆轰波在收缩管道中的传播

详细介绍了对气相爆轰波沿收缩管道传播时发生Ｍａｃｈ反射的系统研究。管道中安装了不同楔角的楔块，采用了多种气体组分按不同的初压分组进行实验。在烟薰玻璃片上记录到了爆轰波Ｍａｃｈ反射的三波点迹线，其两侧胞格尺寸和密度的变化清晰可见。推算了爆轰波从Ｍａｃｈ反射向规则反射转变的临界角。压力传感器记录了Ｍａｃｈ反射时楔面上压力和速度的变化。上述参数与空气激波Ｍａｃｈ反射作了比较。编制了爆轰波Ｍａｃｈ反射计算程序，检验了ＣＣＷ理论对于爆轰波传播的可用程度，理论值和实验值在楔角不大于３０时相当吻合。     

激波与爆轰波对撞的数值模拟研究

用二阶精度NND差分格式和改进的二阶段化学反应模型模拟了爆轰波与激波的对撞过程,研究了不同强度入射激波对爆轰过渡区域的影响. 当对撞激波较弱时,透射爆轰波演变主要受流动膨胀作用的影响,可划分为对撞影响区、爆轰恢复区和稳定发展区3个阶段. 在爆轰恢复区和稳定发展区,前导激波压力经历一个过冲、然后向稳定爆轰过渡的过程,表现了爆轰波熄爆和再起爆的物理特征. 当对撞激波较强时,可燃混合气体的高热力学参数导致了更高的化学反应活化程度,形成了弱爆轰向稳定爆轰的直接转变.      

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.