CH_4-O_2 混合气中爆燃爆震转捩的数值模拟

运用化学流体力学基本理论和两步燃烧反应模型原理，建立了一维封闭体系可燃气爆燃爆震转变现象的数学模型，利用拉格朗日质量坐标变换下的Ｌａｘ－Ｗｅｎｄｒｏｆ和Ｍｅｃｏｒｍｉｃ气动差分与Ａｄａｍｓ化学差分格式，求解基本方程，成功地完成了过程的数值模拟，清楚地说明了可燃气中ＤＤＴ现象由压缩波到激波达到稳态爆震的发生机制和火焰带引生爆震波的过程行为。

辛烷-空气混合物爆燃爆震转捩的数值模拟

爆燃向爆震转捩（简称DDT）的问题对爆震波的产生至关重要,是爆震波发动机研究中的核心问题之一。木文针对气态辛烷和空气混合物中产生的燃烧波在一维封闭空间传播的DDT问题,运用化学反应流动基本理论和两步反应模型,在拉格朗日质量坐标系中建立该现象的数学表达,气体动力学方程采用显式（S?）差分格式,化学反应项使用二级精度的Adams方法,开发了程序CULDDT,完成了过程的数值模拟,并与实验数据进行了对比,两者符合较好,为研究辛烷和空气混合物中产生爆震波的过程提供了一种可靠的数值方法。

测量爆燃到爆震转捩距离的离子探针技术研究

为了测量爆震管中从爆燃到爆震转捩距离,研制了一套基于对比电路的离子探针系统。通过该系统测量爆震管中火焰传播速度的轴向分布,确定了爆燃到爆震的转捩距离。系统结构简单,造价低廉,可用于高温环境下测量。运用该系统测量的乙炔与氧气混合气从爆燃到爆震转捩的距离,其结果与采用高频响的压力传感器系统的测量结果一致。

预混气爆震管中爆燃到爆震转捩距离的研究

为了获得预混气爆震管中爆燃到爆震转捩 (DDT)距离的变化规律 ,进行了一系列的单循环爆震试验 ,其中预混气为按化学恰当比配制的乙炔与氧气以及稀释剂氮气 ,变化的试验参数包括 :预混气初始压力 (0 0 2MPa～ 0 1MPa)、稀释剂的浓度 (0 %～ 70 % )及三种扰流片的形状。试验测得了不同工况下爆震管内火焰传播速度 ,并由此确定了DDT距离及其变化规律。试验结果表明 ,预混气初始压力下降或稀释剂浓度增加时 ,DDT距离增大 。

爆震管内爆燃到爆震转捩过程的实验研究

基于常温常压轴向进气条件下气动阀式两相爆震发动机模型开展爆燃到爆震转捩过程的研究,利用离子探针和高频压力传感器测量了管内火焰传播速度和燃烧压力波。研究结果表明,管内爆震波形成的初始位置在正常火焰面下游的一定位置处,如假设爆震管内波和火焰面是一维的,则在爆震波产生的最初一段时间内,爆震管内将出现三道火焰面:往出口方向传播的正常火焰面和爆震波火焰面及往进口方向传播的回传爆震波火焰面。

缓燃向爆震转捩过程中火焰和压力波发展规律试验

为了解缓燃向爆震转捩（DDT）过程,在60 mm×60 mm,长2 m的方形爆震管内,利用高速摄影和高频压力传感器试验研究了4种余气系数下氢气/空气混合气燃烧时的火焰和压力波演变规律.结果表明：缓燃向爆震转捩经历了缓燃、爆燃、在壁面产生热点、形成爆震中心和稳定爆震5个阶段,缓燃、爆燃和爆震的火焰传播速度分别为0－15 m/s,500－1000 m/s和1800－2000 m/s.压力传感器获得的时序图和对应峰值压力的变化规律也验证了上述过程：在压力传感器测试区间（850－1200 mm）内,压力峰值从1.5 MPa先跃升到7 MPa上下,然后下降稳定在2－3 MPa.据压力时序图算得的爆震波传播速度与高速摄影获得的火焰传播速度一致.

基于爆震的甲醇-柴油双燃料发动机掺烧比边界研究

【目的】以一台电控共轨六缸柴油机改造的发动机为试验对象,以发生爆震为限制条件,研究甲醇-柴油双燃料燃烧下的掺烧比边界.【方法】通过对滞燃期变化的分析,发现甲醇-空气预混气发生均质压燃是甲醇-柴油双燃料燃烧爆震的重要诱因;利用回归分析,发现进气压力、排气温度及甲醇-空气预混气浓度对掺烧比边界有显著性影响.【结果】以边界掺烧比为因变量,得到排气温度及甲醇-空气预混气过量空气系数为自变量的线性模型,边界掺烧比=-0.1×排气温度-4.48×空气与甲醇预混气过量空气系数+101.897.【结论】甲醇-柴油双燃料发动机可利用排气温度、空气与甲醇预混气过量空气系数两个参数预测最大掺烧比,以实现掺烧比随工况的实时调整.

增压直喷乙醇-汽油发动机超级爆震模拟

采用在压缩行程上止点前向燃烧室内直接喷入一定量机油液滴,模拟了悬浮在燃烧室内的机油液滴引燃可燃混合气诱发低速早燃(LSPI)现象的过程.试验验证了选用的计算模型及计算方法的可行性后,数值模拟了不同低速运转条件下、不同乙醇掺混比(体积分数)的乙醇-汽油混合燃料时,小缸径增压直喷发动机燃烧室内由机油液滴引发的低速早燃现象以及后续的超级爆震过程.结果表明:乙醇掺混比分别为10%和20%(E10、E20)时,发动机缸内依次发生了超级爆震燃烧;当乙醇掺混比为30%(E30)时,即使发生了早燃现象(1200 r/min)并导致随后的爆震燃烧,但压力升高幅度明显降低,此时没有发生超级爆震燃烧;随着发动机转速提高(1600 r/min),使用E30燃料时发动机缸内也仅发生了早燃现象,而没有发生爆震燃烧;当乙醇掺混比高于50%(E50)后,不同工况条件下发动机缸内已经没有低速早燃现象.使用乙醇-汽油混合燃料的小缸径增压直喷发动机在超级爆震发生前一定有低速早燃现象发生,但低速早燃现象不一定导致超级爆震过程.

喷注混合下冲压式爆震发动机起爆与传播模拟研究

针对吸气式冲压爆震发动机的喷注混合、火焰加速、爆燃转爆震(DDT)、爆震传播等多物理过程,利用高分辨率数值模拟对其进行了详细研究。采用求解自适应网格加密方法下的Navier-Stokes方程,并考虑详细的11组分27步氢空气化学反应机理,得到了在亚声速来流与喷注混合条件下的完整冲压式爆震发动机工作过程。为了快速实现DDT,光滑管中采用了多组横向对喷射流。结果表明:在考虑来流与喷注混合条件下,混合气的当量比分布极其不均匀;多组横向空气射流障碍物提高了混合物均匀性,同时促进了DDT的发生;在燃烧产物膨胀过程中,发现二次膨胀现象;在尾气膨胀与大气环境相互作用下,流场出现流动不稳定结构。此外,混合与吹除过程占据冲压式爆震发动机的大部分工作时间。

障碍物长度对两相爆震起爆特性影响的研究

为了探究障碍物长度对气液两相爆震起爆特性的影响,以汽油和富氧空气作为燃料和氧化剂,在使用不同长度障碍物的爆震管中进行了工作频率为20 Hz的无阀式多循环实验研究.研究结果表明,障碍物长度为管径4倍至8倍的孔板、Shchelkin螺旋、环形凹槽和螺旋凹槽均可实现爆震的起爆;增加障碍物长度可以缩短DDT距离和DDT时间;气液两相DDT过程中,火焰加速至产物声速左右,可能会马上起爆,也可能维持在产物声速左右继续传播一段距离后再起爆;在火焰达到产物声速左右的位置下游布置障碍物可以增加爆震马上起爆的概率.

氢气爆燃转爆轰特性试验研究

为揭示爆燃转爆轰(DDT)过程的主要物理机理,用带有Shchelkin螺纹管的方形激波管,对氢气和空气混合气进行爆轰试验。首先采用压力传感器记录压力波在管内的发展过程,探讨压力波速度的变化规律;然后借助高速照相机获得DDT转捩过程的纹影图像,分析主导激波传播速度的变化规律。结果表明,火焰传播经历缓燃、爆燃、爆燃转强爆轰、强爆轰衰减以及稳定爆轰等阶段;火焰、主导激波和反射激波间的相互作用是影响DDT转捩过程的主要因素。采用压力-时间记录法和纹影法分别得到DDT距离,但用后者所得的转捩距离更为准确。

CE/SE法模拟爆震波点火及传播过程

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟一维爆震波的形成及传播过程,分析产生爆震波的不同机理和DDT(爆燃-爆震转捩)过程的影响因素.采取激波点火和热点点火两种点火方式,分别对应SDT(激波-爆震转捩)和DDT过程,热点点火初始场采用线性温度分布和阶梯性温度分布,整个管道均为常压.用隐式梯形方法实现刚性源项积分.结果表明,SDT和DDT对应于不同的爆震波机理,并且DDT受点火区不同参数的影响,为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.

脉冲爆震发动机快起爆的二维数值模拟

为研究脉冲爆震发动机的点火过程,用二维欧拉方程和Korobeinikov两步爆震模型对爆震波快起爆过程进行了数值模拟研究。用高温高压未燃气体点火方式来模拟试验中的电火花塞点火。研究表明:电火花塞的能量不足以直接点燃爆震波,爆震波是在经历了一系列反射激波的相互作用后最终建立的。激波 爆震波转捩是快点火过程,是爆震波建立的一个非常重要的机理。在设计点火装置时,火花塞要尽可能靠近壁面和拐角,以便产生高强度的反射激波。同时还要控制反射激波的方向,使之向未燃气体中顺利传播,才能起到很好的点火效果。

脉冲爆震发动机新型点火系统的优化设计

为了缩短爆燃向爆震转捩的时间和距离,该文将一种新型点火系统——火焰喷射点火系统应用于脉冲爆震发动机。利用二维数值模拟研究不同喷射点火系统结构参数(前端圆柱段长度,直径以及末端喷嘴的直径)下爆燃向爆震转捩的时间和距离,并将研究结果与传统点火系统的爆燃向爆震转捩转变时间进行对比。结果发现:对于该文所采用的PDE模型,最有效的副室结构为喷嘴直径4 mm,副室长度10 mm,体积3.8 cm3。此外还发现喷射点火系统比传统点火系统能更有效地缩短爆燃向爆震转捩的时间和距离,其效率约为后者的1.26倍。

脉冲爆震发动机不同副室的快起爆过程数值模拟

爆震波的有效起爆是目前脉冲爆震发动机能否工作的关键。分别针对三种不同副室结构的爆震管,通过二维数值模拟研究了脉冲爆震发动机的起爆过程。研究表明:(1)电火花塞的能量不足以直接点燃爆震波,爆震波是在经历了一系列激波和反射激波以及与火焰阵面的相互耦合作用后最终建立的。(2)由于副室结构不同,激波向爆震波转捩时间也不同,将三种情况下的模拟结果进行对比,得出了SDT时间距离最短的最佳副室结构。

不同端面密封条件下缓燃-爆震转捩特性试验

为研究不同端面封闭程度时缓燃-爆震转捩(DDT)的特性,在60 mm×60 mm×2 000 mm方爆震管内,在封闭端设置了5种阻塞比的方孔,针对4种余气系数用乙炔(C2H2)和空气混合物进行了单爆震性能研究.利用安装在同一截面上的压力传感器与离子探针同时测得缓燃向缓燃-爆震转捩(DDT)转捩位置处爆震管内的压力、火焰传播速度和方向.分析结果表明:①随端面阻塞比的增大,DDT的距离会变长;②端面的封闭程度并不影响DDT转捩的本质特性.

双组分混合气态燃料爆震起爆特性

在爆震燃烧中,与液态燃料相比气态燃料具有更好的起爆性能和可爆极限。在一定温度和压力下,液态碳氢燃料燃烧伊始发生的吸热裂解反应会产生小胞格尺寸的轻质气态小分子,其混合物组合可有效降低可燃混合物的临界起爆能量并提升燃料整体的起爆性能。研究液态燃料裂解反应中气态产物组分及含量对缓燃向爆震转变过程时间及距离的影响规律,有助于掌握形成易爆混合物的条件,指导液态燃料爆震燃烧室的设计。本文采用光学测量方法,对RP-3航空煤油热裂解反应的主要产物双组分气态燃料的起爆性能进行了实验研究,对不同组分燃料的起爆过程中火焰传播速度进行对比。结果表明:生成的甲烷摩尔分数大于60%时不能实现爆震起爆,烯烃类等气态不饱和烃可增强混合燃料的起爆性能。同时,适当地提高当量比,可以扩大混合燃料的可爆极限。

毫米级光滑圆管内爆轰波起爆距离实验研究

由于在脉冲爆轰发动机进口端设置微孔可有效促进爆轰起爆,故通过高速相机拍摄在初始压力为10~100 kPa下等当量比丙烷/氧气的火焰传播过程研究了毫米级圆管中缓燃向爆轰转捩(deflagration to detonation transition,DDT)距离,实验在长为1930 mm、管径分别为0.5、1、2、4 mm的管道中进行。实验结果表明:面积发散效应导致DDT距离与管径和初始压力不同的变化关系,当初压低于60 kPa时,DDT距离与管径呈线性关系;而当初压在60 kPa以上时,DDT距离在100~200 mm,随管径的变化并不明显。而在同一管径下,DDT距离随初始压力的增大而减小且呈现反比关系,这与大尺度下DDT距离与初压的关系相似。最后,通过讨论边界层厚度对DDT距离的影响得到区分大小尺度DDT模式的临界值。

脉冲爆震发动机管壁废热加温燃油实验

在内径为110 mm的大管径脉冲爆震发动机模型上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,进行了脉冲爆震发动机不同爆震频率的管壁换热实验.实验结果发现利用管壁废热加温燃油可以提高燃油的温度,改善爆震性能并缩短爆燃到爆震的转捩(DDT)距离,也能够有效地降低发动机的管壁温度.当发动机工作在20Hz时,管壁温度最大可以降低94℃.

射流点火对爆震管中爆燃转爆震影响的实验

采用射流火焰的点火方式进行了爆震管中乙炔和空气混合物从爆燃向爆震转捩的实验研究.爆震管一端开口一端封闭,在封闭端与爆震管垂直安装预燃室,采用火花塞在预燃室中点火,形成射流火焰引燃爆震管中的混合物.基于光电转换原理研制的火焰测速系统测量了爆震管中火焰传播速度.实验表明,与在爆震管壁面火花塞点火相比,射流火焰点火加大了爆震管中初始火焰速度,减小了火焰从爆燃向爆震转捩的距离.通过对不同实验条件下爆燃转爆震过程的分析,探讨了射流火焰点火方式减小火焰从爆燃向爆震转捩距离的机理.