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 。

两相爆震波爆燃向爆震转变过程的数值模拟

针对液态辛烷/空气两相混合物燃烧波在一维封闭空间内传播的爆燃向爆震转变(DDT)问题,运用化学反应流动基本理论、颗粒轨道模型和两步反应模型,在拉格朗日质量坐标系中建立了对该现象的数学表达,并开发了数值模拟程序CT-PD,其中气体动力学方程采用显式Sαγ,β差分格式,化学反应项使用二阶精度的Adams方法。通过数值模拟研究了液态燃料爆震波在爆震管内发生、发展、传播及其特性参数变化特点。研究发现在两相爆震中,由于油滴蒸发吸热及阻力作用,致使爆震波峰值压力及爆震波速等特性参数低于理论值。研究中将数值模拟结果与实验波形进行了比较,发现两者符合良好,说明计算方法是可行的。

补油距离和燃油配比对两级脉冲爆震发动机预燃裂解的影响

两级脉冲爆震发动机中,预燃室内煤油预燃裂解的效果对共振腔内起爆效果和可靠性有重要影响。基于稳态扩散火焰面模型,对预燃室中煤油预燃裂解的效果进行了数值仿真,讨论了补油距离d和燃油配比R对预燃裂解效果的影响,以期为进一步的预燃室设计和实验研究提供参考。计算结果表明:补油距离d主要通过影响反应物的驻留时间来影响反应产物的生成,d越大,第二级喷油位置距离预燃室出口越近,驻留时间越短,各主要活性组分产量越低;燃油配比R则同时影响预燃室内的温度和反应物的驻留时间,R越大,各主要活性组分含量越低;温度过高时不利于较稳定的活性组分产生。由此建议补油喷嘴应尽量远离预燃室出口,最佳燃油配比为3~5。

液体燃料脉冲爆震发动机点火方法研究

目前脉冲爆震发动机的起爆主要采用爆燃向爆震转变的方式实现,而爆燃波发展缓慢,消耗了循环周期的很长一段时间。为缩短爆燃向爆震转变的时间和距离,本文研究了一种新型蒸发管点火系统,用蒸发管对两相混合物进行预蒸发,在预燃室内点火形成火焰射流进入主爆震室,实现主爆震室内两相混合物的快速短距离起爆。热态实验在内径120mm,长2500mm的爆震室上进行。与火花塞直接在主爆震室点火相比起爆时间可以从12.5ms缩短到2～3ms,起爆距离可以从1350mm缩短到775mm。预燃室长度和个数对起爆过程也具有非常明显的影响,长度和个数的增加都有利于爆震波的起爆。

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.

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。

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。

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。

四种典型炸药燃烧转爆轰试验研究

为了对常用组分构成的炸药燃烧转爆轰(DDT)过程进行预估,采用熔铸工艺制备了P1(40%TNT/60%RDX)、P2(40%DNTF/40%HMX/10%TATB/5%Al/5%添加剂)、P3(25%DNTF/40%AP/30%Al/5%添加剂)3种混合炸药,采用浇注工艺制备了P4(30%RDX/30%AP/30%Al/10%添加剂)炸药,用同轴电离探针测试技术对4种炸药进行了DDT试验,从DDT管的破碎状态、DDT过程中波阵面传播速度及爆轰转变距离分析了DDT响应特征。结果表明,炸药P1、P2、P3发生了DDT,爆轰转变距离范围分别为750~825mm、375~450mm、675~750mm,炸药P4未发生DDT;炸药P2的DDT管破裂最剧烈,炸药P3次之,炸药P1最小,表明DDT管的破碎程度与炸药的爆压正相关;炸药配方中含有热分解温度接近的组分,使热分解放热量快速叠加,促使燃烧状态失稳,提高燃烧向爆轰的转变;浇注成型工艺由于存在惰性添加剂对炸药组分的隔离包覆和吸热作用,降低了炸药由燃烧向爆轰转变的可能性。

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.

当量比对于两相爆震波形成影响的数值研究

对于爆震管中液态辛烷/空气两相混合物的爆燃向爆震转变(DDT)过程进行了数值模拟,建立了对该现象的数学表达,并开发了数值计算程序CTPD。通过数值模拟研究了液态燃料爆震波的基本特性,以及部分预蒸发及液滴数量对于爆震波结构与发展的影响作用。计算结果表明,爆震管中存在一定量预蒸发燃油蒸气有利于促进爆震波的形成,相反,燃油液滴对爆震波的形成则起到一定的抑制作用,液滴数量的增加将会延长由爆燃向爆震转变的过程。研究中计算结果与实验波形符合良好,说明为包括DDT现象在内的脉冲爆震发动机工作过程提供了一种可行的计算方法。

微小尺度多循环爆震实验研究

为了探索爆震燃烧应用于微型推进器的可行性,进行了微小尺度多循环爆震实验的研究。实验管道采用截面为6mm×6mm,长度为500mm的方型爆震室,氧化剂和燃料分别为40%的富氧空气和乙烯,工作频率范围为1~30Hz。实验中采用高速摄影仪拍摄反应波的传播过程,用压力传感器测量反应波的压力变化。结果表明,工作频率在1~20Hz内时可以成功实现多循环爆震,爆震波离开爆震室的速度约为2500m/s,频率越高,缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,简称DDT)的距离越长;工作频率为10Hz和20Hz时,同一频率下,不同爆震循环的DDT开始位置不同,并且DDT距离也存在差异;工作频率为25Hz和30Hz时,由于混合气填充量的减小,不能形成爆震。

火焰聚心和激波聚焦诱导爆震波

对几种不同结构形式的爆震发生器进行了数值模拟,来研究激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程。数值计算发现用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程,有利于激波的加强。强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同。对数值计算的结果分析得出了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考。

障碍物对脉冲爆震火箭发动机性能影响的实验研究

为了探究障碍物对脉冲爆震火箭发动机在无阀自适应工作方式下性能的影响,采用汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,开展了工作频率为20Hz的无阀式多循环实验研究。实验中使用Shchelkin螺旋、螺旋凹槽、环形凹槽和孔板作为障碍物,并分析了其对起爆和推进性能的影响。研究结果表明,Shchelkin螺旋、螺旋凹槽和环形凹槽在阻塞比BR=0.36,0.46和0.56时都可实现PDRE的稳定工作,孔板在BR=0.56时无法实现爆震的起始;Shchelkin螺旋的DDT距离和DDT时间最短;实验测得的平均推力较理想流动模型理论值有13.3%~39.3%的亏损,BR=0.36的Shchelkin螺旋推力损失最小;螺旋凹槽与环形凹槽的DDT距离和DDT时间较长,没有明显的推力增益。

不同点火条件下DNTF与B炸药的燃烧转爆轰实验研究

为研究3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的燃烧转爆轰(DDT)过程,采用DNTF和B炸药进行对比,开展了4种点火条件下的DDT实验,测量了反应波阵面在DDT管中的传播过程,分析了点火药量对DNTF爆轰转变距离和爆轰转变时间的影响。结果表明,DNTF在点火药量为2.0、1.0、0.5g和0.25g条件下均能被点燃,并最终转变为稳定爆轰;随着点火药量从2.0g降低到0.25g,DNTF均能实现燃烧转爆轰,且爆轰转变距离无显著变化,均在120~150mm范围内,但引燃时间大幅度延长;而B炸药仅能在2.0g点火药量下被点燃,且未能增长为稳定爆轰,表明对于DNTF单质炸药,点火强度的变化可对其DDT过程中的低速热传导燃烧阶段产生显著影响。

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。

爆震波形成过程试验研究

对三种不同结构(小环形、大环形、圆形)的爆震室进行不同参数的爆震试验,研究爆震波的形成过程。发现小环形爆震室在可燃混合物当量比φ≥1.1、大环形爆震室和圆形爆震室均在当量比φ=1.2时,无论有无孔板,爆震波都会在爆震室封闭端附近形成。预燃室环形聚心火焰点火方式,集预燃室两步起爆法、环形火焰聚心和激波聚焦原理、弯管加速火焰法于一体的点火起爆方式,加速了爆震波的形成过程。

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。

新型凹入式螺旋结构增爆器的实验研究

本实验以脉冲爆震火箭发动机(简称PDREs)系统为实验平台,以液态航空煤油作为燃料,以压缩氧气作为氧化剂,以压缩氮气作为隔离气,分别对安装三种不同截面形式(半圆形、方形、三角形)的凹入式螺旋结构增爆器以及作为基准的Shchelkin螺旋结构增爆器进行了实验研究。实验结果表明,三种不同截面的凹入式增爆器均能有效强化爆燃向爆震转变(DDT)过程,在长径比为12.17的增爆器中均获得了充分发展的爆震波,实现了成功起爆。在流阻损失方面,半圆形凹入式螺旋结构表现出了最好的性能,其推力比Shchelkin螺旋的基准推力高出12个百分点。在多次实验过程中发现,凹入式螺旋结构比Shchelkin螺旋结构更不易烧蚀,工作可靠性更高。

U型方管中爆燃向爆震转变特性实验研究

以脉冲爆震发动机(PDE)用曲管爆震燃烧室为应用背景,对气相(乙烯/空气)燃烧波在U型方管实验器中的传播过程进行了实验研究。通过改变实验器中弯曲段进口气流入射激波强度,基于弯曲段内压力、波速的测量及高速摄影实验得到了U型方管实验器中半圆型弯段内的爆燃向爆震转变(DDT)特性。结果表明,弯曲段中DDT特性受到入射激波速度的影响:当入射激波速度小于794m/s(43.6%VCJ,VCJ为理论Chapman-Jouguet爆震波速),在弯曲段内不能形成爆震;当入射激波速度介于870~908m/s(47.8%VCJ^50.0%VCJ)之间,弯曲段内首先会产生局部爆炸,并最终形成爆震;当入射激波速度大于934m/s(51.3%VCJ),爆燃波可以直接在弯曲段入口转化为爆震波。