气相爆轰波在半圆形弯管中传播现象的实验研究

对气相(2H2/O2/Ar系统)爆轰波在半圆形弯管中的传播现象进行实验研究。用烟迹膜记录了弯管中爆轰波的胞格结构,采用压电传感器测量了沿弯管内外母线指定点的压力时间曲线,得到了爆轰波沿弯管内、外母线的平均速度和胞格尺寸的变化。结果表明:当平面爆轰波进入弯管后,受壁面的几何形状作用,诱导激波阵面发生弯曲。沿诱导激波阵面,自内母线到外母线方向,激波强度逐渐增大。同时,爆轰波后的化学反应区也受到影响,胞格尺寸发生较明显的变化。在本文条件下,当初压p08.00kPa,受扰动的爆轰波在弯管出口下游仍恢复为强度不变的稳定爆轰。胞格记录的三波点迹线表明:受扰动的爆轰波在出口段发生了马赫反射。实验结果还表明:当p0降至5.33kPa,平面稳定爆轰波经过半圆形弯管后,其强度发生衰减并直至出现熄灭。     

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。     

环形方管道中爆轰胞格的三维研究

通过实验和三维数值模拟研究了爆轰波在环形管道内的传播。实验采用烟迹板记录了爆轰波的胞格结构。数值模拟基于带化学反应的三维Euler方程,采用五阶精度的WENO格式捕捉激波,采用具有TVD性质的三阶Runge-Kutta法处理时间项,并结合并行技术,对爆轰波的传播进行了数值研究。结果表明,环形管道外壁为收敛壁面,由于其对流场的压缩效应,外壁面及附近的胞格较小,且较均匀。而内壁为发散壁面,其对流场起稀疏效应,内壁面及附近的胞格较大,且呈周期性变化。同时, 不同壁面的胞格结构均出现了拍波(slapping wave),其形状呈弯曲的折线。     

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.     

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。     

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.      

环氧丙烷-空气混合物爆轰波胞格结构的研究

对碳氢燃料云雾爆轰波胞格结构的影响因素进行了分析:比较了初始温度在25℃和100℃条件下碳氢燃料胞格尺寸,发现胞格尺寸相差不大;胞格尺寸随初始压力的降低而增大,在相对压力为负压条件下得到清晰的爆轰波胞格结构;起爆能的增大可以导致更加复杂的爆轰波次胞格结构出现。     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

直管内胞格爆轰的基元反应数值研究

基于基元反应和二维欧拉方程，对直管内胞格爆轰进行了数值模拟。采用5阶WENO(weighted essentially nonoscillatory scheme)求解对流项，采用2阶附加半隐的龙格-库塔法处理化学反应源相引起的刚性。获得了密度、压力、温度和典型组元质量分数流场及数值胞格结构等。结果表明:网格精度的差异明显影响胞格的规则性和爆轰的平衡模数，随着网格尺度的减小，胞格由不规则变为规则。预混气组成、初压、初温及管道宽度给定，三波点数收敛为确定值。足够强度的初始扰动可再现胞格爆轰，最终形成的自持胞格爆轰模数与初始扰动的形状、大小、位置均无关。沿胞格中心线，爆轰波速度变化范围为0.88DCJ~1.5DCJ，爆轰波平均速度与CJ爆轰速度仅偏差0.88％。峰值压力与初压之比为14~50。计算爆轰波平均速度、胞格宽长比与实验值基本一致，但计算胞格宽度比实验值略小。数值模拟加深了对横波的产生和发展、未反应气囊、爆轰胞格的二次起爆等胞格爆轰特性的认识。     

旋转爆轰胞格结构的实验和数值研究

对爆轰波在环形圆管(预混气体为2H2/O2/Ar)内的传播分别进行了实验和数值研究。实验研究 采用烟迹板记录了环形圆管内爆轰波的胞格结构。数值计算利用二阶附加半隐的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,采用基元反应简化模型描述化学反应过程,得到了旋转 爆轰的流场及数值胞格结构。实验和数值模拟结果表明:爆轰波在圆环管中传播时,由于圆环的内壁发散、外 壁收敛,圆环内侧爆轰强度小于外侧,胞格尺寸较大;内侧OH 的分布区域大于外侧,浓度较低。旋转爆轰的 这种性质,使爆轰波能以稳定的角速度绕轴旋转。     

以DSD理论和LS方法为基础的程序燃烧法

给出了二维弯曲爆轰波后产物流场计算方法。爆轰波阵面传播规律满足Detonation Shock Dynamics (DSD)理论并用level set (LS)方法计算,波阵面传播规律与波后流场的耦合通过程序燃烧法实现,反应进程变量可作为LS函数的函数给出。爆轰波从刚性细管道向粗管道传播产生绕射的二维计算结果表明,化学反应速率不影响波后流场分布,只影响反应区结构。此方法可用于钝感炸药的驱动计算问题。     

Numerical investigation on evolution of cylindrical cellular detonation

Cylindrical cellular detonation is numerically investigated by solving two- dimensional reactive Euler equations with a finite volume method on a two-dimensional self-adaptive unstructured mesh. The one-step reversible chemical reaction model is applied to simplify the control parameters of chemical reaction. Numerical results demonstrate the evolution of cellular cell splitting of cylindrical cellular detonation explored in experimentas. Split of cellular structures shows different features in the near-field and far-field from the initiation zone. Variation of the local curvature is a key factor in the behavior of cell split of cylindrical cellular detonation in propagation. Numerical results show that split of cellular structures comes from the self-organization of transverse waves corresponding to the development of small disturbances along the detonation front related to detonation instability.     

Two-dimensional reactive flow dynamics in cellular detonation waves

This investigation deals with the two-dimensional unsteady detonation characterized by the cellular structure resulting from trajectories of triple-shock configurations formed by the transverse waves and the leading shock front. The time-dependent reactive shock problem considered here is governed by a system of nonlinear hyperbolic conservation laws coupled to a polytropic equation of state and a one-step Arrhenius chemical reaction rate with heat release. The numerical solution obtained allowed us to follow the dynamics of the cellular detonation front involving the triple points, transverse waves and unreacted pockets. The calculations show that the weak tracks observed inside the detonation cells around the points of collision of the triple-shock configurations arise from interactions between the transverse shocks and compression waves generated by the collision. The unreacted pockets of gas formed during the collisions of triple points change form when the activation energy increases. For the self-sustained detonation considered here, the unreacted pockets burn inside the region independent of the downstream rarefaction, and thus the energy released supports the detonation propagation. The length of the region independent of the downstream is approximately the size of one or two detonation cell. Received 13 February 1998 / Accepted 13 August 1998     

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。     

On the propagation mechanism of a detonation wave in a round tube with orifice plates

This study deals with the investigation of the detonation propagation mechanism in a circular tube with orifice plates. Experiments were performed with hydrogen air in a 10-cm-inner-diameter tube with the second half of the tube filled with equally spaced orifice plates. A self-sustained Chapman–Jouguet (CJ) detonation wave was initiated in the smooth first half of the tube and transmitted into the orifice-plate-laden second half of the tube. The details of the propagation were obtained using the soot-foil technique. Two types of foils were used between obstacles, a wall-foil placed on the tube wall, and a flat-foil (sooted on both sides) placed horizontally across the diameter of the tube. When placed after the first orifice plate, the flat foil shows symmetric detonation wave diffraction and failure, while the wall foil shows re-initiation via multiple local hot spots created when the decoupled shock wave interacts with the tube wall. At the end of the tube, where the detonation propagated at an average velocity much lower than the theoretical CJ value, the detonation propagation is much more asymmetric with only a few hot spots on the tube wall leading to local detonation initiation. Consecutive foils also show that the detonation structure changes after each obstacle interaction. For a mixture near the detonation propagation limit, detonation re-initiation occurs at a single wall hot spot producing a patch of small detonation cells. The local overdriven detonation wave is short lived, but is sufficient to keep the global explosion front propagating. Results associated with the effect of orifice plate blockage and spacing on the detonation propagation mechanism are also presented.     

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.