氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力,设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验,采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa,爆炸开始后喷射氮气,爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明,单喷头距泄压口20 cm时,各压力下喷出的氮气都未能阻爆,但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小;单喷头距泄压口35 cm时,喷气压力0.5 MPa下成功阻爆,其他喷气压力下未能阻爆;双喷头喷气时,喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆,且喷气压力越大,火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现,需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下,因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时,喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时,氮气区扩大,阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。

     

入口压力对天然气超声速液化特性的影响

为研究入口压力对天然气混合物超声速液化特性的影响规律,建立了三维双组分天然气混合物超声速凝结流动数学模型,对Laval喷管内双组分混合物凝结流动进行了数值模拟,得出了沿Laval喷管轴向的参数分布,通过开展双可凝组分气体凝结相变实验,对比发现数值模拟与实验结果基本一致,说明了所建立的数学模型及计算方法的正确性。还研究了入口压力对甲烷-乙烷混合物超声速液化特性的影响,结果表明,保持Laval喷管入口温度及组成不变,增大入口压力,混合气体成核位置前移,成核率、平均液滴半径、液相质量分数均随之增大,即入口压力越大,混合气体在Laval喷管内越易发生凝结,在实际生产中可以通过调节入口压力来促进天然气的凝结,提高Laval喷管的液化效率。

     

环形HYLTE喷管耦合段及光腔区流场的数值模拟

参考传热学相关理论,估算燃烧室的传热损耗分数及相应的平衡温度,确定了主喷管的入口参数设置。在此基础上,对环形HYLTE喷管的耦合段及光腔区流场进行3维的数值模拟,给出了F原子质量分数、静温、静压的空间分布,得到了光腔区各支谱线的小信号增益系数变化曲线。将计算结果与实验结果进行比对,光谱测量结果及移动光轴实验证实了计算模型的合理性。     

喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响

“烧蚀模式”激光推进是利用强激光烧蚀推力器自身携带的工质产生的高温高压气团反喷进行驱动的,推力器的喷管构型对推进性能有重要影响。鉴于此,从实验和数值模拟两个方面研究了喷管长度对直筒型激光推力器推进性能的影响。实验发现,衡量推进性能的2个主要参数冲量耦合系数和比冲均随着喷管长度的增加而增加,不过前者的增长呈渐缓趋势。综合考虑推进参数和推力器自重的影响,导出了推力器获得最大单脉冲速度增量(Δv_T)的最佳喷管长度公式。数值模拟得到的不同喷管长度推力器推进参数的变化规律与实验结果基本吻合：若喷管长度过短,则高压气体未能充分作用于推力器就被排出筒外,造成了能量的浪费;若喷管长度过长,筒内压力的衰减则成为影响推进性能的主要因素,从而解释了直筒型推力器的推进性能的增长趋势随喷管长度增加而逐渐趋缓的原因。

     

任意长度喷管型面设计方法在气动激光器喷管设计中的应用

 将一种新的任意长度喷管型面设计（ALN）方法应用于气动激光器喷管型面设计,在相同的喷管出口设计马赫数、喷管喉部高度及喷管扩张段长度条件下,设计了4条ALN方法喷管型面,并和一条最短长度（MLN）喷管型面作对比,采用2维气动激光器增益场仿真方法对5个喷管的小信号增益场进行仿真。计算结果表明:ALN方法可以有效地实现增益场分布的控制,选择合理的设计参数得到的喷管长度比MLN喷管更短,小信号增益更大。     

Determining the Optimal Contour of a Three-Dimensional Supersonic Jet Engine Outlet System

The problem of determining the optimal contour of a two-dimensional jet engine outlet system was solved in [1] using the direct method of the calculus of variations. In this study the method is developed for designing the optimal contour of a three-dimensional outlet system providing maximum thrust in a given direction.     

展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析.结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂.在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称.展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力.     

喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响

采用热力学循环分析方法, 从理论上推导了脉冲爆轰发动机(pulse detonationengine, PDE)不完全膨胀条件下的热效率公式, 并定量考察了不同燃烧室初始温度下热循环效率随出口压力比的变化, 研究表明气体膨胀越完全, 工质的热循环效率越高. 应用数值模拟方法分别研究了收缩-扩张喷管和扩张喷管, 比较了它们对PDE推力和比冲的影响, 考察了它们在PDE各个循环阶段的作用. 此外, 还分析了收缩-扩张喷管收缩段引起的反射激波的影响, 理论上反射激波会降低PDE热循环效率和比冲, 但当反射激波马赫数小于1.5时, 对PDE热循环效率的影响很小, 其正面作用占优.      

高马赫数高压力的氧碘化学激光器阵列喷管的数值模拟

 采用计算流体力学方法,研究了以氮气为载气的新型高总压氧碘化学激光器(COIL)阵列喷管。模拟结果表明:采用高马赫数的氮气流引射低马赫数的氧气流,可以提高光腔出口的驻点压力;高超声速的氮气与声速的氧气混合较慢,在喷管出口安装翼片有利于增强气流混合;喷管出口安装大翼片,翼片诱导的横向涡可以到达氮喷管的中心,光腔内混合比较充分。通过采用10组分21反应的化学反应模型,模拟了阵列喷管内多组分气体的混合和化学反应过程。模拟结果表明：光腔内生成了激发态碘原子和基态碘原子,光腔中获得了正增益,而且光腔出口的总压也由2.6 kPa提升至28.9 kPa。