煤油燃料旋转爆轰波起爆与传播特性实验研究

为研究煤油燃料旋转爆轰波的起爆与传播特性,开展气体-液体两相旋转爆轰发动机实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室内径120 mm、外径153 mm、长240 mm,煤油为燃料、富氧空气为氧化剂,通过氢气/氧气微小型脉冲爆轰发动机进行点火;基于燃烧室内的高频压力,分析气体-液体两相旋转爆轰波的起爆过程、传播特性以及发动机的工作特性。实验结果表明：混合物的反应活性至关重要,当氧化剂中氧含量偏低时,混合物反应活性低,旋转爆轰波将无法起爆,直至氧含量增加到39.2%,才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波成功起爆后均以双波对撞模态传播,波速为815~ 920 m/s;在 贫油条件下,爆轰波传播速度随着当量比提高呈增加趋势;当空气质量流量大于822 g/s时, 发动机基本以缓燃形式工作。     

铝粉-空气混合物的爆轰管研究

为新建成的内径158mm、长23m水平粉尘爆轰管开发了一种新的扬尘技术,并进行了弱点火条件下微细铝粉——空气混合物爆轰波的一系列实验研究.结果表明,平均粒径为2μm的球形铝粉——空气混合物最大爆轰压力约4.3MPa,爆轰速度达到1.64km/s;预混粉尘与激波卷扬粉尘对比实验表明,扬尘方法对爆轰参数有明显影响,其压力与速度差分别高达300%与74%.     

当量比及氧化剂含氧量对凝胶汽油爆轰过程的影响

为了研究化学当量比和氧化剂含氧量对凝胶汽油/气相氧化剂两相爆轰过程的影响,建立了考虑组分的凝胶汽油/空气三维两相爆轰模型,并采用守恒元与求解元方法对脉冲爆轰发动机管内爆轰过程进行了数值仿真,分析了当量比和氧化剂含氧量对爆轰波形成时间、形成距离、爆轰波压力峰值和爆轰波传播速度的影响.数值研究结果表明,当量比α小于1.15时,随着当量比的增大,脉冲爆轰发动机管内形成爆轰波所需的距离和时间缩短,爆轰波的压力峰值和传播速度增大,当量比α=1.15时形成爆轰波所需的距离和时间分别为0.288 m和278.0μs,爆轰波压力峰值和传播速度分别为1.85 MPa和1437 m·s-1;随着氧化剂含氧量β的增大,爆轰波的压力峰值和传播速度增大,当氧化剂含氧量β由23％增大至48％时,爆轰波的压力峰值由1.85 MPa增大至2.85 MPa,传播速度则由1437 m·s-1增大至1868 m·s-1.     

基于预爆轰点火方式的连续旋转爆轰发动机起爆过程分析

为深入了解预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆机理,基于连续旋转爆轰发动机试验平台进行了一系列预爆轰管点火试验和连续旋转爆轰发动机点火起爆试验研究,基于OpenFOAM开展了预爆轰管内初始爆轰波进入发动机环形燃烧室传播过程的数值模拟研究。结果表明:试验研究中,初始爆轰波进入环形燃烧室后波峰压力值迅速降低,爆轰波膨胀解耦并衰减为燃烧波; 初始爆轰波进入环形燃烧室后,并未直接形成旋转爆轰波,而是存在“初始爆轰波解耦—DDT—触发旋转爆轰波”过程; 在总质量流量为380 g/s左右时,随着当量比从0.65提高至0.95,DDT时间迅速从20 ms以上下降至2 ms以下; 当总质量流量下降至280 g/s附近时,出现了旋转爆轰波峰值压力大幅波动等旋转爆轰波不稳定传播现象。数值模拟中,初始爆轰波进入环形燃烧室后逐渐衰减,形成首道激波,该激波在燃烧室内壁面反射后形成反射激波,并伴随首道激波传播; 首道激波在传播过程中在燃烧室进口端面发生反射形成反射激波,该反射激波最终在周向约90°位置处衰减至消失。     

氧化剂喷注面积对连续旋转爆轰波传播特性影响的实验研究

为了研究氧化剂喷注面积对连续旋转爆轰波传播特性的影响,以H₂为燃料、空气为氧化剂,在喷孔-环缝式连续旋转爆轰发动机上开展了一系列试验研究。基于燃烧室内高频压力信号和氧化剂集气腔内的压力信号,分析了氧化剂喷注面积对连续旋转爆轰波传播过程、速度亏损和稳定性以及爆轰波波头高度的影响。试验结果表明：当推进剂质量流量不变时,增大氧化剂喷注面积,爆轰波传播速度亏损增大,爆轰波稳定性变差,同时爆轰波波头高度减小;在氧化剂喷注面积为217.1 mm²、当量比为0.9时,爆轰波平均速度达到1 800 m/s,为理论Chapman-Jouguet速度的93%,同时爆轰波表现最为稳定;当氧化剂喷注面积不变时,随着当量比的增大,爆轰波传播的稳定性先升高、后降低。     

基于带源项非结构网格CE/SE方法的PDRE爆轰排气流场中尾喷管特性研究

为了研究非定常两相脉冲爆轰发动机爆轰和排气流场中尾喷管的特性,推导了带源项非结构三角形网格求解元守恒元数值方法(CE/SE方法)的计算格式,应用该方法数值研究了满填充工况下带不同结构尾喷管火箭式脉冲爆轰发动机的内外流场和爆轰推进性能。研究表明:该非结构网格CE/SE方法可有效捕捉变截面管中强间断和复杂波系结构。各类喷管中,含收敛段喷管排气时间增长,气流在收敛段喉部发生壅塞;含扩张段喷管内出现斜激波过膨胀现象。当环境压力为0.1 MPa、填充率为1时,单次爆轰模式下带不同类型喷管的汽油/空气两相脉冲爆轰发动机的推进性能:除40°角扩张喷管外,其他各类喷管在爆轰和排气进程中均能提高发动机的冲量。     

中心锥对液态燃料旋转爆轰发动机工作过程与性能的影响

为分析中心锥对液态燃料旋转爆轰发动机(RDE)工作特性的影响,在环形阵列式RDE上,以汽油/富氧空气为工质,开展了液态燃料RDE实验研究。测量发动机在不同中心锥位置l/L（l为燃烧室内壁面等直段末端与燃烧室外壁面末端的距离,L为燃烧室外壁面长度）和中心锥锥角θ时的一维推力,分析了推力和燃料比冲的变化趋势。实验结果表明：改变l/L和θ未对旋转爆轰波传播模态产生影响,各工况下旋转爆轰波均为双波对撞模态;受预爆轰管切向喷注孔的影响,双波对撞点无法稳定于预爆轰管出口附近;爆轰波传播速度和频率随中心锥位置的前移呈下降趋势,当l/L=0%、θ=20°时,推力和燃料比冲分别为951.6 N和1 151.8 s, 为所有实验工况中最大值;随着l/L或θ增大,爆轰产物轴向膨胀距离变短,中心锥头部突扩位置处膨胀波影响增强,外流场中心锥型面约束作用减弱且高温燃气径向膨胀增强,发动机出口高温燃气轴向分速度逐渐减小,发动机推力和燃料比冲逐渐减小;当l/L>25.5%或θ>40°时,受熄爆再起爆和膨胀波增强影响,发动机推力和燃料比冲下降速率增大。     

PBX-9502炸药超压爆轰条件下的状态方程

分别使用标准JWL和Davis状态方程对炸药PBX-9502超压驱动飞片和球形聚心爆轰问题进行了数值模拟。对超压驱动飞片问题的模拟结果显示,采用标准JWL状态方程计算出的超压段压力、速度结果偏低,而采用Davis状态方程给出的计算结果与实验符合较好。在球形聚心爆轰波的数值模拟中,分别使用Davis状态方程和JWL状态方程计算了LiF飞层的自由表面位移历史,发现在相同时间间隔(1.5μs)内,用前者计算出的位移大于后者(约0.4 mm)。     

悬浮铝粉尘爆轰波参数

用两相流模型对爆轰波管中的悬浮铝粉尘的爆轰波进行了研究。数值模拟了管径为15.2cm的圆管中平均粒子直径为3.4μm、单位质量表面积为3m2·g-1的铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了不同浓度时悬浮铝粉尘爆轰波参数,并得到了爆轰极限的下限为当量比=0.25。数值计算给出管径趋于无穷大时不同铝粉尘浓度时爆轰波的参数,得到悬浮铝粉尘爆轰极限的下限为当量比=0.16。数值模拟了当量比为=1、管径不同时爆轰波速度的变化,并得到产生爆轰的临界管径。     

用于材料动态性能实验的单级轻气炮

轻气炮是研究材料的动态响应,即研究击波在固体中的传播规律及其效应的有效工具。本文详细地描述了口径为101mm的一门单级轻气炮,包括参数选择、结构特点和技术性能。弹速能在50～1450m/s范围内连续可调,速度的不重复性小于±5%(一般在±3%以内)。速度低于600m/s时,以氮气作为驱动气体;速度高于600m/s时,以氢气作为驱动气体。驱动气体的最大压力为30MPa。在速度低于50m/s时,采用负压击发,改善了炮的低速性能。撞击面倾斜角一般低于10~(-3)rad。速度在300m/s以下时,可实现试样的软回收。     

双波对撞模态下的液态燃料旋转爆轰发动机推力测试研究

在环形阵列式连续旋转爆轰发动机上,以汽油/富氧空气为工质,分析了双波对撞模态下爆轰波自持的传播特征、时域频域特征和爆轰波高度,测量了发动机模型在双波对撞模态下的一维推力。试验结果表明：在富氧空气（34.3%O₂和65.7% N₂）流量为945.3 g/s、汽油流量为84.3 g/s、 当量比为0.82的工况下,爆轰波平均传播频率为2.174 kHz,平均传播速度为1 051 m/s,爆轰波高度在55~70 mm之间,有效推力为607.3 N,单位面积推力8.587×10⁴ N/m²,燃料比冲为735.1 s. 推力曲线表明：双波对撞模态下发动机推力波动较大,推力围绕推力平均值振荡,稳定工作阶段发动机振动频率与爆轰波传播频率基本一致。     

黑索今基含铝炸药的铝氧比对爆轰性能及其水下爆炸性能的影响

为了分析铝氧比对爆压和爆速的影响规律,采用试验方法测定了黑索今（RDX）基含铝炸药的爆轰参数,应用KHT程序计算分析了试验测试结果;针对RDX基含铝炸药,进行了1kg柱形装药水下4.7 m爆炸试验,测量了距爆心1～3m处的冲击波压力峰值与气泡脉动周期,拟合得到了冲击波压力峰值与衰减时间常数的相似律系数。研究结果表明：RDX基含铝炸药的爆压和爆速随铝氧比的增加呈现线性减小变化,爆热在铝氧比为0.997时达到最大值;当铝氧比为0.366时,冲击波压力峰值与冲击波能达到最大值;当铝氧比为0.633时,冲击波冲量与冲击波能量密度达到最大值;当铝氧比为0.997时,气泡第一次脉动周期与半径达到最大值。     

基于乙烯/空气详细反应机理的旋转爆轰过程数值模拟

为了研究乙烯/空气的旋转爆轰传播特性,采用OpenFOAM7中rhoReactingCentralFoam求解器,以及乙烯/空气21组分36步基元化学反应模型,对旋转爆轰传播过程进行了二维数值模拟研究。通过改变预混气各组分的质量分数,验证了基元反应在旋转爆轰的可适用性,研究了当量比对旋转爆轰波的影响,分析了旋转爆轰燃烧室的流场结构、压力增益和燃料比冲。研究结果表明:在当量比0.7～1.1范围内旋转爆轰波能够自持传播,其传播模态均为单波; 在来流总压0.6 MPa和总温300 K时,压力增益均保持在30%以上,且随当量比的增加旋转爆轰波传播速度、阻塞比、压力增益以及燃料比冲均增大,速度亏损逐渐减小,但随着当量比的增加其增长速率和降低速率呈下降趋势; 爆轰波稳定传播时,中间产物OH集中在爆轰波后方和斜激波下游,反映了化学反应阵面的形状。爆轰波传播过程中,由于爆轰波扫过后压力过高,新鲜燃料无法供应,导致温度曲线图出现波动。     

冲击波测量法检验含铝非理想炸药的能量释放（英）

将有机玻璃紧贴于炸药柱,当爆轰波铅药柱传播至界面时发即在有机玻璃中引起一个强烈的冲击波。利用一特定装置分别测定在ＮＨ４ＮＯ３／ＴＮＴ８０／２０,ＮＨ４ＮＯ３／ＴＮＴ／Ａｌ８０／１０／１０,ＮＨ４ＮＯ３／ＴＮＴ／Ｌｉ８０／１０／１０和ＮＨ４ＮＯ３／Ａｌ９０／１０等炸药爆轰作用下有机玻璃中冲击波的传播速度,以检验含铝非理想炸药的能量释放。结果表明,冲击波速度随着传播距离的增加而降低;铝粉颗粒越细,冲击     

球形装药水下爆炸近场测量的连续探针法研究

为了在水下爆炸的单次试验中连续获得炸药爆轰波和近场冲击波的时程曲线,研制了一种压导式连续电阻丝探针,并基于此设计了球形装药水下爆炸测试系统。采用粉状黑索今（RDX）炸药进行120 mm直径的球形装药水下爆炸试验,测量获得了多组爆轰波-冲击波时程曲线。通过对爆轰波段数据进行拟合得到了待测RDX炸药的爆速,利用冲击波段数据计算得到了炸药爆压、绝热指数以及水中冲击波的衰减规律,并与康姆莱特半经验公式和数值模拟结果进行了对比。结果表明：运用新型电阻丝探针测得的RDX炸药参数与理论值相比,爆速、爆压和绝热指数的相对误差分别小于3%、5%和2%;模拟得到的近场冲击波峰压和速度曲线与试验结果基本吻合,最大误差不超过10%.     

不同晶形ANPZO晶体制备与表征研究

为了研究不同结晶形貌ANPZO炸药晶体性能,以满足不同用途需要,采用结晶控制技术制备出3种不同结晶形貌ANPZO晶体,利用SEM对其晶体形貌进行表征并测试其感度、压药成型性及爆速.结果表明:针状ANPZO撞击感度较高,爆炸概率为85％,微球形ANPZO摩擦感度高达92％,而3种晶形的ANPZO冲击波感度值较低;此外,立...     

温压炸药爆炸冲击波在爆炸堡内的传播规律

为研究温压炸药爆炸冲击波在有限空间的传播特征,在爆炸堡中进行400 g RDX/Al/AP(高氯酸铵)/HTPB(端羟基聚丁二烯)温压炸药的爆炸实验,通过压力测试系统得到冲击波在地面和空中的超压时程曲线,以JWL-Miller方程作为爆炸产物状态方程,采用AUTODYN软件对爆炸过程进行了数值模拟,并用数值模拟结果研究冲击波在爆炸堡内发生正反射和斜反射。结果表明,数值模拟得到的冲击波形态、峰值及作用时间与实验测试结果吻合较好,Miller余项能够较为合理地描述含铝温压炸药的后燃特征。正反射发生在装药的地面投影点,反射波峰值达到入射波峰值的3.3倍;斜反射包括规则反射和马赫反射,冲击波入射角小于40°时,在地面形成规则反射,反射波峰值约为入射波峰值的2.5倍;冲击波入射角大于40°时形成马赫反射,马赫波峰值约为入射波峰值的1.2~1.6倍;在侧壁及穹顶发生规则反射。在几何对称轴上发生聚焦现象,聚焦点冲击波超压高于2200 k Pa,达到该点入射冲击波超压的4.3倍,增强了爆炸堡内冲击波,提高了温压炸药的毁伤能力。