乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p 0=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现:采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明:若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。

不同物理性质无烟煤粉在乙烯/氧气氛围下爆轰波传播特性实验研究

粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结合高能点火系统,在初始压力p 0=100 kPa下,研究多孔状5μm、多孔状40μm及片状5μm共3种无烟煤粉在不同当量比(0.7、1.0、1.3、1.5)下的爆轰波传播特性。研究结果表明:多孔状5μm无烟煤随着当量比的增加,爆轰波速度及压力持续增加,当量比为1.5时具有最大爆轰波传播速度及压力;多孔状40μm煤粉在0.7~1.3当量比下随当量比的增大,爆轰波速度持续增加,而后在当量比为1.5时由于过量的煤粉导致速度开始降低,但爆轰压力随着当量比的增加而增加;5μm多孔状煤粉爆轰波速度在相同当量比下优于40μm煤粉;片状5μm煤粉爆轰特性最差,在高当量比时会抑制爆轰。

气固两相粉末燃料爆轰及其推进应用研究进展

粉末燃料因其能量密度高、稳定性好等优势,作为爆轰推进动力系统的燃料或添加剂,具有广阔的应用前景。根据气固两相粉末爆轰的燃料种类进行分类,并以指导粉末爆轰推进技术应用为导向,回顾粉末燃料在氧化剂氛围以及气体燃料/氧化剂氛围中起爆特性和传播特性的国内外研究进展,并对二者进行理论和工程技术的研究归纳,概括影响气固两相爆轰起爆和传播特性的因素以及重要的研究结论。从应用前景、推进性能、难点与挑战等角度对两相爆轰发动机研究进行综述,在总结发动机数值和实验研究现状的基础上,对未来需要开展的研究工作进行展望。

旋转爆轰发动机内煤粉-氢气两相爆轰流场数值研究

旋转爆轰发动机因其较高的热循环效率在航空航天领域备受关注。为了研究气固混合燃料在空气氛围中的旋转爆轰特性,在圆柱坐标系中建立了气固混合相燃料爆轰理论模型,并基于三维守恒元与求解元方法,对圆盘形燃烧室内的爆轰过程进行三维数值模拟。计算获得了气固混合相旋转爆轰波稳定传播时的流场结构,分析了爆轰流场的热力学参数分布特征、化学反应区分布以及旋转爆轰波后的波系分布特点。研究结果表明,微米级煤粉在氢气辅助作用下可快速反应并支持旋转爆轰波的稳定传播,但因盘形燃烧室的扁平结构特征和非预混喷注方式,导致爆轰波波阵面呈现为不规则的曲面。煤粉和氢气射流穿透空气层的能力差异导致气固混合燃料的化学反应区发生分离,最终以双反应区的爆轰组织形式支持旋转爆轰波稳定传播。旋转爆轰波不规则的曲面结构使其在扁平的燃烧室中发生多次反射,进而在爆轰波后有规律地出现多道反射激波。

刚性和柔性多孔材料作用下氢气爆轰胞格结构的演化规律

多孔材料作为高效吸波耗能介质,广泛应用于爆轰衰减研究中。为进一步揭示多孔材料的抑爆机理,系统研究了柔性(海绵)和刚性(金属丝网)2种典型多孔材料对氢氧爆轰胞格结构的影响,以及海绵和金属丝网厚度、孔隙率对爆轰胞格结构、尺寸等参数的影响。采用烟熏板技术记录爆轰波的胞格图案,并计算得到爆轰胞格尺寸;采用压力传感器记录爆轰波到达时间,进而计算得到爆轰波的平均传播速度。结果表明,爆轰胞格结构与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,此外研究发现了多个爆轰传播阶段,包括爆轰失效、加速和再起爆。爆轰胞格尺寸也与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,增大多孔材料厚度和减小孔隙率均能显著增大爆轰胞格尺寸。通过对比分析海绵与金属丝网对爆轰胞格尺寸的影响发现,在相同条件下,刚性多孔材料对爆轰的抑制作用更强,但这种差距会随着多孔材料厚度的增加而减小。最后,通过引入无量纲参数D_(H)/λ量化分析爆轰传播极限。对于柔性和刚性多孔材料而言,其爆轰传播极限可分别近似量化为D_(H)/λ≈3.0和D_(H)/λ≈3.1。

一种新爆轰产物状态方程及其在炸药爆轰性能预测上的应用

为准确描述爆轰产物在高温高压下的热力学关系,拓展应用范围,实现CHNO单质/混合炸药与含能金属盐爆轰性能的可靠预测,基于Exp⁃6势的维里系数理论值建立了新气态爆轰产物状态方程Virial⁃Peng⁃Long(VPL),并基于更准确的“冷压”项与考虑金属高压热运动变化的“晶格振动”项建立了新凝聚态金属产物三项式状态方程Wu⁃Chen⁃Peng(WCP)。应用VPL计算了几种典型CHNO单质/混合炸药的爆轰参数,应用VPL与WCP评价了几种典型含能金属盐的爆轰CJ参数与驱动做功能力。结果表明,相比VLW和BKW,基于VPL能够更准确评价CHNO单质/混合炸药的爆轰性能,对太安(PETN)爆速预测偏差在±2.1%以内,最高不超过2.5%;对RHT⁃901驱动圆筒稳定速度预测误差绝对值<1%。而VPL与WCP能够准确预测含能金属盐爆轰性能,其中对叠氮化铅爆轰CJ参数计算相对误差不超过±4%;对铜叠氮化物驱动飞片速度预测相对误差绝对值小于1%。

预混煤油/空气两相旋转爆轰传播特性数值研究

为研究预混煤油/空气两相旋转爆轰波的传播特性,以煤油蒸气/液滴为燃料,空气为氧化剂,开展了二维旋转爆轰过程的数值模拟计算,研究了气态燃料当量比和液滴直径对气液两相旋转爆轰过程中流场结构、胞格形状和数目、爆轰分数以及传播速度等特征的影响。结果表明:较高的气态燃料当量比和较小的液滴直径有利于旋转爆轰波的成功传播。气态燃料当量比为0.83时,可起爆的液滴直径增大至40μm。研究发现,爆轰波成功起爆的前提下,提高气态燃料当量比或减小液滴直径均利于胞格数目的增多和平均尺寸的减小,胞格数目为5.0~6.7,低于5.0爆轰波将无法维持传播;燃料的爆轰分数与气态燃料当量比和液滴直径有关,提高气态燃料当量比或减小液滴直径均促进燃料的爆轰分数以及爆轰波传播速度的提高,爆轰分数最高可达94.9%,爆轰波的传播速度为1 638.34~1 777.62 m/s,速度亏损在13%以内。

不同燃烧室结构下的碳/空气两相旋转爆轰发动机数值研究

气固两相旋转爆轰发动机的研究有望提高固体冲压发动机的推进性能。由于实验的局限性,燃烧室内的颗粒分布和流场结构等在很大程度都是未知的。本文以常温条件的碳/空气作为推进剂,对不同当量比下的环形和空心燃烧室进行了三维数值模拟研究。气相化学反应模型采用层流有限速率模型,碳燃烧采用多表面反应模型,颗粒直径为1μm。结果表明:空心燃烧室内未完全燃烧的颗粒数量增加,接触面发生褶皱且波后无低温条带;在环形燃烧室中,爆轰波与燃烧室壁面的相互碰撞产生新的爆轰波,而空心燃烧室的新爆轰波是由燃烧室下游激波对撞后形成的高压区产生的。相比于环形燃烧室,空心燃烧室内爆轰波的压力偏低,颗粒的燃烧效率降低,相同燃料与空气流量条件下发动机的推力下降且更加不稳定。

基于弯型预爆管的煤油燃料旋转爆轰发动机起爆实验研究

为了研究采用弯型预爆管的预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆过程和旋转爆轰波的传播特性,设计了H 2/O 2弯型预爆轰管的预爆轰点火装置,进行了预爆轰点火实验,并研究了应用该预爆轰管的煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆特性。借助高频动态压力传感器和高速摄影,分别记录了实验过程中的压力信号与流场动态变化过程,分析了旋转爆轰波的起爆过程以及传播特性。实验结果表明:初始爆轰波在到达燃烧室入口后迅速膨胀解耦,形成两个沿相反方向传播的压力波,并且压力峰值迅速衰减;成功起爆后,爆轰波在燃烧室内以双波对撞模态自持传播,每一周期内双波发生对撞的位置不断变化;当煤油质量流量增加时,燃烧室内形成稳定旋转爆轰的时间间隔增加;在稳定工作范围内,提高当量比可以增加爆轰波的平均传播速度。该实验验证了将该弯型预爆管应用于煤油/富氧空气旋转爆轰发动机点火的可行性,进一步揭示了煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆过程。

爆轰推进概念与机理研究——新型发动机研究的热点

本文首先概述了爆轰现象、爆轰气动物理、爆轰推进概念和爆轰推进研究进展。然后重点介绍了目前正在研究中的主要爆轰推进概念 ,如脉冲爆轰发动机 ,斜爆轰推进 ,冲压加速器。并从热效率和比冲的角度把脉冲爆轰发动机和传统的喷气推进发动机作了比较。

扰动进口影响多重旋转爆轰波演化及振荡特性的数值研究

基于OpenFOAM开源平台,研究了周期性扰动进口对旋转爆轰发动机(RDE)多重爆轰波的演化及振荡特性的影响。结果表明:对于进口扰动的旋转爆轰波(RDW)传播过程先后分为三个阶段,分别是混乱阶段、自调整阶段和振荡传播阶段。通过改变扰动振幅,RDW的波数改变,传播方向并未改变;而改变扰动频率,RDW的波数和传播方向均发生变化。多重爆轰波起源于RDW的混乱传播,主要通过双波对撞进行RDW的波数和方向的调整。同时通过改变扰动振幅和频率讨论RDW传播特性,发现进口扰动将作用于旋转爆轰波的压力、传播速度和热释放速率,并且在本文研究中,改变扰动振幅对RDW传播特性的影响更显著。另外,对出口的推力进行分析,发现质量流量和推力的振荡形式和进口扰动形式高度一致,且增大扰动振幅,平均比冲相应增大。

炸药爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型

为研究铝粉在爆轰环境中的燃烧特性,基于爆轰环境中铝粉燃烧模型,综合考虑了爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度对铝粉燃烧释能过程的影响,建立了爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型,提出了包括铝粉燃烧过程、爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度在内的爆轰环境铝粉非等温燃烧控制方程,并通过激光诱导击穿光谱实验进行了验证。结果表明,铝粉非等温燃烧模型控制方程的计算值与激光诱导击穿光谱实验值的偏差在12%以内,验证了理论模型计算的准确性,获得了铝粉粒度和铝氧比对炸药中铝粉燃烧特性的影响规律。

气相爆轰波凹面反射过程尺度效应的实验研究

了解气相爆轰波的凹面反射是研究爆轰波在环形管道条件下传播机制的基础。文章针对气相爆轰波凹面反射问题中存在的尺度效应进行实验研究,得到三波点轨迹和临界壁角与几何尺度之间的定量关系,发现了类似于爆轰波楔面马赫反射的尺度效应和2个极限(冻结和平衡极限);进一步研究发现尺度效应高度依赖于2个特征长度尺度(胞格尺寸λ和凹面曲率半径R)。以上研究可为高性能航天推进系统燃烧室的设计提供理论参考。

基于定位校正指数的嘧啶类含能材料爆轰性能

为研究嘧啶类含能化合物的爆轰性能与其分子结构的构效关系,根据嘧啶类含能化合物分子中原子相互连接的空间特性,提出了一种新的分子结构指数——定位校正指数B;此外还计算了19个含能化合物分子的电拓扑态指数,并优化筛选出其中的E 13作为分子结构描述符,将E 13与定位校正指数B结合,与嘧啶类含能化合物的爆轰性能进行回归分析;将B和E 13这两种结构指数作为BP神经网络的输入变量,神经网络结构采用2-3-1的结构方式,构建了预测嘧啶类含能化合物爆轰性能好的神经网络法模型。结果表明,每个模型的总相关系数均超过0.99,达优级相关,计算得到的氧平衡、爆热、爆速和爆压的预测值与文献值的平均相对误差分别为1.59%、1.05%、0.37%和1.28%;如将指数扩展到与噁三唑稠环类含能材料分子、含氟唑类含能化合物分子的爆轰性能等进行分析预测,同样能得到令人满意的结果。说明嘧啶类含能材料分子的爆轰性能与定位校正指数、电拓扑态指数有良好的非线性关系。

多元组分爆轰不稳定性定量实验研究

对两种不同碳氢比例的多元组分进行爆轰不稳定性分析。在D=80 mm圆管中进行爆轰实验,分析多元组分的爆轰速度变化特性和胞格结构变化特性。分别从三波点轨迹间距、螺距和化学反应进程角度分析氢分压对多元组分爆轰不稳定性的影响,发现多元组分#1的爆轰速度与氢气预混气类似,虽有波动但总体较为平稳,始终稳定在0.95VCJ以上;多元组分#2的爆轰速度与甲烷预混气类似,波动幅度较大。从胞格结构特性角度分析,发现爆轰螺旋头数的变化趋势与速度变化趋势相似。三种不稳定性分析方法均得到多元组分#1的稳定性比多元组分#2的稳定性大。研究结果有助于整体把握多元组分的爆轰传播机理。

基于LADM模型的爆轰参数计算

炸药爆轰以高低两种速度稳定传播。经典的ZND模型没有对应于低速爆轰的数学解,无法计算低速爆轰参数。而LADM爆轰模型(Least Action Detonation Model)有四组数学解析解。其中一组解对应于高速爆轰,可取代有争议的CJ假设;另一组解对应于低速爆轰,可计算低速爆轰速度。本文用这两组解计算了四种常用炸药的高/低速爆轰参数,不需要CJ假设等任何假设。结果表明:高速爆轰速度的实测值与计算值的相对误差范围是0.069%~1.38%;炸药的绝热指数γ1为1.239~1.312,接近多原子气体的理论值1.286;爆轰产物的绝热指数γ2为1.425~1.462,略大于双原子气体的理论值1.400。

爆轰波对碰区产物驱动金属圆管的研究

利用闪光X光照相、光学高速分幅照相实验,测得了金属圆管在两个爆轰波对碰后产物驱动外壳的膨胀、变形过程,该过程表明爆轰波对碰作用使得对碰处金属圆管相对贯穿断裂时间明显提前,对碰处金属圆管径向膨胀速度较非对碰处明显增加。利用拉格朗日二维流体动力学程序TTD2C,数值模拟了对碰驱动过程,计算结果与实验结果符合很好,且用Taylor断裂判据得到的金属圆管相对贯穿断裂时间也明显提前。

铝粉燃料连续旋转爆轰发动机工作特性

为探索基于铝粉燃料的连续旋转爆轰发动机独特的爆轰特性及推进性能,开展铝粉/空气和氢气/空气连续旋转爆轰发动机热试车对比实验。实验结果表明:在相同发动机构型及条件下,铝粉/空气连续旋转爆轰发动机的推力比氢气/空气高35%;铝粉/空气的峰值压强比氢气/空气高11%;铝粉/空气的爆轰波传播速度比氢气/空气低11%;铝粉/空气工作模态同氢气/空气一样,均为单波模态。上述差异一方面由燃料不同物理化学性质所致,另一方面由气-固两相爆轰和纯气相爆轰差异所致。所得研究结果可为吸气式粉末燃料连续旋转爆轰发动机奠定一定的实验和理论基础。

氢气/丙烷/空气预混气体爆轰性能的实验研究

通过采用压力传感器和烟灰板两种测试设备,开展了常温常压下氢气/丙烷和空气混合气体爆轰性能的实验研究。实验过程中观察到自持爆轰波,爆轰速度比值在0.99~1之间,爆轰压力比值在0.8~1.2之间。爆轰胞格尺寸在10~50mm范围内,建立了爆轰胞格尺寸和化学诱导长度的关系式。随着丙烷不断添加,爆轰速度减小,而爆轰压力和胞格尺寸增加。这种变化趋势起初较快,而后变缓。因为起初氢气摩尔分数较大,混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能;而后因丙烷摩尔质量较大,丙烷逐渐起主要作用,混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman–Jouguet)理论和ZND(Zel’dovich,von Neumann,Dring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.