圆柱形障碍物对2H_(2)+O_(2)+nAr预混气体的再起爆实验研究

开展了不同反应活性的2H_(2)+O_(2)+nAr气相爆轰波与圆柱形障碍物相互作用的实验研究。通过在管道顶部布置压电式压力传感器记录压力到达时间,并以此计算爆轰波传播速度。采用纹影技术和烟迹法记录爆轰破坏到再起爆全过程的波系及胞格结构。结果表明:爆轰波在障碍物上游接触障碍物时会发生反射;越过障碍物后,在障碍物下游会发生衍射。爆轰波越过障碍物时,受障碍物尾部膨胀波的影响,爆轰波衰减解耦,但随着从圆柱形障碍物两侧绕过的衍射激波在障碍物后轴线和管道中心轴线处碰撞,继而发生马赫反射以及入射激波与下游管道壁面碰撞发生马赫反射,完成再起爆过程。直径较小的障碍物造成的爆轰波能量损失较少,其胞格爆轰波的再起爆距离随障碍物直径的减小而缩短。针对不同直径障碍物的实验结果均表明,随着初始压力升高,预混气体反应活性增加,爆轰的自持稳定性增强,从而削弱了障碍物几何尺寸的影响,有利于减弱爆轰的衰减并缩短再起爆距离。在所研究的障碍物几何尺寸下,通过测量爆轰再起爆距离,建立了不同比例Ar稀释下的2H_(2)+O_(2)在圆柱形障碍物后的再起爆距离与圆柱垂直间距及胞格尺寸的关系。

连续爆轰发动机中的起爆、湮灭、再起爆和稳定全过程的流场演化机制

为了研究连续爆轰发动机中的起爆、湮灭、再起爆和稳定全过程的流场演化机制,采用基于开源计算流体力学平台OpenFOAM的自定义求解器BYRFoam,使用带Laval尾喷管的空心圆筒燃烧室的几何构型及阵列式小孔进气。分析了起爆和湮灭的过程以及再起爆现象产生的原因,采用时空分布图的分析方法总结了起爆、湮灭、再起爆和稳定全过程的流场演化机制。结果表明,起爆初期的斜激波会在尾喷管收缩段反射形成反射激波,反射激波进入新鲜气体,形成与初始爆轰波方向相反的新爆轰波,这会导致爆轰波的湮灭。湮灭之后,燃烧室头部的高压强会阻碍新鲜气体的进入,之后已燃气体逐渐通过尾喷管排出燃烧室,燃烧室头部压强降低,逐渐进入燃烧室的新鲜气体为后续的再起爆创造了条件。连续爆轰波再起爆的原因有两个:一是尾喷管收缩段处的反射激波进入新鲜气体层并转化为爆轰波;二是已经形成的爆轰波与阵列式进气相互作用,形成反传波,反传波进入新鲜气体并转化为爆轰波。再起爆之后,经过爆轰波、激波和新鲜气体的相互作用和演化,爆轰波最终稳定传播。

火工品系统传火传爆环节二次起爆过程数值模拟

针对火工品系统中典型多级序列传爆环节机理认识不清,导致航天飞行器发射任务面临风险的问题,从结构间隙隔离段内爆轰波的熄爆/再起爆过程的角度出发,建立不同几何构型下的数值计算模型,考察化学反应活性对引发二次爆轰的临界隔离段长度及临界装药长度的影响规律。研究表明,不同几何构型下爆轰波再起爆现象的发生均通过隔离段与下游装药交界处的热点效应引发,且临界隔离段长度随下游装药反应活性的减弱而减小;相应地,不同几何构型下下游装药临界长度随反应活性的变化规律更为复杂,这是由二维流场内横波的摆动和相互碰撞所导致的。

T型管内爆轰流场演变的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对2H_2/O_2/Ar系统在T型管内的传播进行了研究。用二阶附加半隐的RungeKutta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分别在静止系统和流动系统中传播过程,得到了爆轰流场纹影、压力及数值胞格结构。结果表明:爆轰波进入水平管的爆轰波左右两侧发生衍射,导致爆轰波熄灭。诱导激波与上壁面碰撞反射诱导左右两侧爆轰波重新起爆,横向爆轰波阵面的小扰动进入马赫波,强度逐渐放大,最终波阵面上出现胞格结构。由于下壁面拐点附近出现爆轰"死区",下壁面爆轰波的产生比上壁面稍晚。