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。     

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.     

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。     

气相爆轰波绕射流场显示研究

采用基于红宝石激光器（波长694.3 nm）的纹影系统,对气相爆轰波绕射进行了初步的流场显示研究。采用单色激光和合适半带宽（15 nm）的滤光片,有效地消除了爆轰波自发光对流场显示的影响。合理设置激光器同步控制系统的触发延时,得到了序列的爆轰波阵面纹影照片。结果表明:图像清晰地显示了爆轰波阵面的诱导激波、横波及化学反应区。当爆轰波在左尖点处绕射,受稀疏波作用,诱导激波与化学反应区明显分离,导致爆轰波衰减为爆燃。分离的诱导激波和折皱的化学反应区在纹影图上清晰可见。诱导激波在垂直支管右壁面反射,诱导二次起爆。畸变爆轰波在水平和垂直支管中均发生马赫反射。提高初压,爆轰波受分叉口几何属性的影响减小,畸变爆轰波在水平和垂直支管下游较易恢复为自持爆轰波。     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

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。     

爆轰波与激波对撞爆轰状态演化机理研究

对当量比氢氧混合气体中爆轰波与激波的正面对撞过程进行了二维数值研究. 采用了二阶精度NND差分格式与改进的两阶段化学反应模型,并以数值x-t纹影图以及烟迹图记录了对撞过程. 数值研究表明,透射爆轰波受到膨胀影响首先会衰减,甚至产生局部解耦现象;然后由于三波点的碰撞又能再次重新耦合. 在爆轰波对撞过程中,由于燃烧不均匀性而产生的弱横波对爆轰胞格的形成起着重要作用.      

气相爆轰波平衡胞格稳定性实验研究

本文详细介绍了研究气体爆轰的烟迹法以及采用所提出的方法得到的爆轰波通过柔性材料壁面前后平衡胞格形成、消失和重新恢复的全过程烟迹照片。实验按初压不同分五组进行。从烟迹照片中各时期的胞格尺寸、横波的变化出发,对上述过程中横波强度变化情况及柔性壁面对横波的作用和影响进行了分析,对平衡胞格恢复的条件进行了讨论。     

气相爆轰波在障碍物上Mach反射的实验验证

本文公布了气相爆轰波沿收缩管道传播时发生Mach反射的实验证据。在爆轰波通过的管道中安装不同楔角的楔块,形成管道的收缩。爆轰波在通过楔块时会发生Mach反射。利用烟熏玻璃片记录到了爆轰波Mach反射时形成的三波点迹线及其两侧胞格尺寸和密度的变化。据我们掌握的资料,这是首次用胞格结构变化的记录证实,气相爆轰波与无化学反应的空气中的冲击波一样,在一定的入射条件下会发生Mach反射。这一实验结果可使我们更深入了解爆轰波的本质,也为数值模拟气相爆轰波在障碍物上Mach反射现象提供了可对比的依据。     

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.     

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.      

Wave dynamic processes in cellular detonation reflection from wedges

When the cell width of the incident detonation wave (IDW) is comparable to or larger than the Mach stem height, self-similarity will fail during IDW reflection from a wedge surface. In this paper, the detonation reflection from wedges is investigated for the wave dynamic processes occurring in the wave front, including transverse shock motion and detonation cell variations behind the Mach stem. A detailed reaction model is implemented to simulate two-dimensional cellular detonations in stoichiometric mixtures of H ₂/O ₂ diluted by Argon. The numerical results show that the transverse waves, which cross the triple point trajectory of Mach reflection, travel along the Mach stem and reflect back from the wedge surface, control the size of the cells in the region swept by the Mach stem. It is the energy carried by these transverse waves that sustains the triple-wave-collision with a higher frequency within the over-driven Mach stem. In some cases, local wave dynamic processes and wave structures play a dominant role in determining the pattern of cellular record, leading to the fact that the cellular patterns after the Mach stem exhibit some peculiar modes. The English text was polished by Yumming Chen.     

弯管内爆轰波传播的流场显示和数值模拟

采用激光纹影系统拍摄了爆轰波在不同位置的流场照片. 用二阶附加半隐的龙格- 库塔法和五阶WENO格式 分别离散欧拉方程时间和空间导数项,用基元反应来描述爆轰化学反应过程,获得了压力、 温度、典型组元质量分数分布及数值胞格结构和爆轰波平均速度. 结果表明：受壁面稀疏波 和压缩波影响,爆轰波阵面发生畸变. 但由于弯管曲率半径较大,未出现爆轰波熄灭. 靠近 凹壁面的激波强度大于凸壁面侧,且凹壁面侧的反应区宽度较凸壁面侧要窄. 弯管出口处的 三波点数目较入口处减少,爆轰波衰减. 在出口直段,受扰动的爆轰波可恢复为自持爆轰波. 爆轰波流场、胞格结构、平均爆轰波速度的计算和实验结果定性一致.     

气相爆轰胞格结构和马赫反射数值模拟

采用简化二阶段化学反应模型和改进的高精度时空守恒方法 (CE/SE)对二维可燃气体DDT过程和爆轰波在楔面上的马赫反射进行了数值模拟 ,计算和实验结果的比较令人满意。     

多次激波诱导正弦扰动预混火焰界面失稳的数值研究

激波诱导火焰失稳是实际中常见的现象,为深入研究火焰失稳特性,采用三维单步化学反应的Navier-Stokes方程和9阶weighted essentially non-oscillatory (WENO)的高精度格式,对不同马赫数的入射激波及其反射激波多次诱导正弦型预混火焰界面失稳的现象进行了三维数值模拟,并对计算结果的可靠性进行了验证。研究结果显示,在激波的多次作用下,火焰界面的演变过程主要受Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定特性和化学反应特性的双重影响,且随着入射激波强度的增强,上述2种特性均得到进一步强化。为构造体现反应性RM不稳定特性的参数,根据火焰界面混合区平均涡量和化学反应速率,提出了表征界面受不稳定性和化学反应影响的量纲一参数。通过分析发现,在同一入射激波强度下,该参数的对数形式随入射激波和反射激波的多次作用呈基本相同的线性增长趋势;对不同马赫数的入射激波,该参数对数形式的线性增长率也基本一致。这样的变化表明该量纲一参数能够反映反应性RM不稳定过程中火焰界面发展的内在规律。     

激波管双爆轰驱动段性能的数值模拟研究

采用频散可控的耗散格式(DCD),求解Euler方程和一种改进的二阶段化学反应模型, 对氢氧反向-正向双爆轰驱动段激波管进行了数值模拟. 计算结果表明：当辅驱动段与主驱动 段初始压力比小于临界值时,Taylor波仍会出现,但波扇夹角较单一前向爆轰驱动段小,入 射激波马赫数衰减率变小;当初始压力比等于临界值时,主驱动段中的Taylor波完全被消除, 入射激波马赫数不再衰减. 当初始压力比大于临界值时,在主驱动段中能产生过驱动爆轰波, 不仅Taylor波被完全消除,而且驱动能力较单一前向爆轰驱动段强.     

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．     

Analytical study of idealized two-dimensional cellular detonations

In this study, the idealized two-dimensional detonation cells were decomposed into the primary units referred to as sub-cells. Based on the theory of oblique shock waves, an analytical formula was derived to describe the relation between the Mach number ratio through triple-shock collision and the geometric properties of the cell. By applying a modified blast wave theory, an analytical model was developed to predict the propagation of detonation waves along the cell. The calculated results show that detonation wave is, first, strengthened at the beginning of the cell after triple-shock collision, and then decays till reaching the cell end. The analytical results were compared with experimental data and previous numerical results; the agreement between them appears to be good, in general. Received 13 February 2001 / Accepted 2 August 2001     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中,组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器,采用C_2H_2/O_2/Ar反应,数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性,并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性,产生漩涡,加速能量、质量的交换。流场产生热点,促进火焰速度加快,追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内,前导激波速度越大,碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

气相爆轰在T形管中传播新现象的实验研究

对2H2/O2/Ar系统爆轰波在T形管(截面为40mm×40mm)中传播现象进行了实验研究.用烟迹片记录了T形管中爆轰波的胞格结构,用压电传感器记录了分叉口附近指定点压力时间曲线,得到了爆轰波在分叉口附近的平均速度和胞格图案演变.结果表明:初压P0≥2.67kPa,在水平和垂直支管下游区域(距离分叉口约3.5—6倍方管截面边长),分叉口影响消失,爆轰波恢复稳定,且强度基本保持不变.在分叉口绕射过程中,爆轰波在膨胀区中衰减,诱导激波阵面弯曲.两个支管中发生马赫反射,三波点迹线清晰可见.该传播特性是爆轰波的诱导激波和横波共同作用的结果.分叉口附近的胞格结构先消失再恢复,在无胞格和平衡胞格之间的区域存在细密胞格的过渡区,表征了在诱导激波与化学反应阵面分离后的区域中出现二次点火.P0=2.00kPa,水平支管中稳定自持爆轰能重建,垂直支管中爆轰熄灭.P0<2.00kPa,分叉口上游已不能形成稳定爆轰.还对胞格结构中的几个特征参数进行了测量,并初步分析了P0对这些参数的影响.