铝粉尘云团爆轰温压效应的数值模拟

为研究粉尘云团形成的爆轰波在空气中传播过程及对周围环境的温压效应和毁伤规律,采用时-空守恒元解元算法两相流模型模拟了当量比为1,颗粒半径为2 μm的悬浮铝粉尘均匀分布形成的半径3.0 m的云团在空气中的爆轰波传播过程。研究结果表明：在冲击波到达云团边界处3.0 m位置时压力达到最大值2.10 MPa,而后压力产生衰减;冲击波到达4.7 m时铝粉尘全部反应完毕无剩余;铝粉尘反应形成的火球会向外运动可到达10.0 m处,火球内中心区域为温度3 500 K 以上、密度0.120 kg/m³的高温低密度区域;冲击波到达24.5 m处超压为0.10 MPa,达到致人死亡标准;冲击波到达28.0 m处时超压为0.09 MPa,可致人严重损伤。     

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。     

基于CE/SE方法的铝粉尘爆轰二维两相数值计算

建立了铝粉-空气管内爆轰的二维两相模型.根据守恒元-求解元的思想,构造了铝粉燃烧转爆轰过程的数值计算格式.采用此格式研究了铝粉尘爆轰管内流场,分析了爆轰管内径向与轴向的压力效应、温度以及颗粒相粒径和气相组份的变化.讨论了铝粉/空气燃烧波在爆轰管内碰撞、反射对转爆轰过程的影响.结果表明,爆轰管内火焰阵面和压力阵面能很好地耦合,爆轰管内铝粉和空气能够形成自持传播的爆轰波.本文的数值计算结果对铝粉尘爆轰研究具有理论指导意义.     

分叉管内爆轰波传播特性实验研究

为了研究爆轰波在分叉管内的传播特性,对以H_2/O_2为燃料的分叉式脉冲爆轰发动机进行了实验研究。分别测试了不同工况条件下管内不同采样点爆轰波压力,并对其变化过程进行了深入分析。实验结果表明:爆轰波在分叉管内传播过程中,分叉口下游主管道内爆轰波在经过6倍管径长度的过渡区后恢复稳定,爆轰强度不变。爆轰波绕射进入分叉支管2,并且在管壁发生多次碰撞和反射,形成过驱爆轰,在燃料充分填充的条件下可以恢复稳定爆轰,爆轰强度与主管道内爆轰波强度相同。在分叉支管2内加装扰流片对加快形成爆轰的影响甚小,分叉支管2内燃料填充率是形成稳定爆轰的关键。     

爆轰波在变截面突扩管道中的传播特性研究

为了研究截面突扩结构对脉冲爆轰发动机推进性能的影响,需明确粘性对气液两相爆轰波在突扩管道内传播的影响。采用二维粘性CE/SE方法对爆轰波从小管径进入突然扩张的大管径爆轰管的汽油/空气两相爆轰过程进行数值仿真,研究了爆轰波进入二维突扩管后的传播及压强等一系列参数的变化规律及原因。结果表明:爆轰波进入突扩管道后会在拐点位置产生涡流并伴随熄爆的现象,马赫反射的形成将导致高温高压区的形成,使得球形波阵面被抹平,最终再次形成稳定的爆轰波;对于不同管径的突扩段,管径越大,形成马赫杆时的位置越靠后且压力越大;点火强度的改变对稳定爆轰波形成位置及大小的影响较小。     

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.     

悬浮RDX粉尘的爆轰波结构

使用两相流模型,对管中悬浮黑索金(RDX)粉尘混合空气的爆轰过程进行了理论分析。粉尘的爆轰波模型是以两相流模型为基准,气体和颗粒具有不同的速度及温度。本实验就RDX粉尘浓度对点火延迟、爆轰波压力、温度的影响进行了研究,得到了爆轰波中各物理量分布,并确定了RDX粉尘爆轰的浓度极限。     

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%.     

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。     

氢气占比对氢气-煤油-空气旋转爆轰波传播特性的影响

为研究燃料中氢气占比对旋转爆轰波传播特性的影响,以液态煤油和氢气作为燃料、空气为氧化剂,通过求解Navier-Stokes方程对旋转爆轰过程进行二维数值模拟.通过改变质量流量和燃料中氢气的占比对旋转爆轰波进行二维数值模拟,研究不同工况对旋转爆轰波传播特性的影响,并对燃烧室内新爆轰波形成过程、模态转换过程和气液分布不均匀...     

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。     

气体与液体两相连续旋转爆轰发动机爆轰波传播特性三维数值模拟研究

为了研究气体与液体两相连续旋转爆轰波的传播特性,基于三维守恒元和求解元方法,在圆柱坐标系下采用带化学反应的气体与液体两相爆轰模型,对连续旋转爆轰发动机进行三维数值模拟。通过计算获得了爆轰波起爆及其稳定传播时的流场结构,分析了流场在燃烧室径向方向的变化以及发动机的推力性能,揭示了两相爆轰波的传播特性。研究结果表明：燃烧室内流场结构与文献\[4\]中的实验研究结果定性一致;由于环形燃烧室外壁面的收敛和内壁面的发散,爆轰强度沿着燃烧室的径向方向逐渐增强,实现了爆轰波的自持旋转传播;以汽油为燃料、富氧空气为氧化剂,在填充总压为0.2 MPa、总温为288.15 K、燃料液滴半径为25 μm的条件下,连续旋转爆轰发动机所获得的平均推力约为880 N,爆轰波的传播频率约为4 390 Hz.     

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...     

环形燃烧室中凹腔对C2H4/Air旋转爆轰流场影响的数值模拟

为研究环形燃烧室中凹腔对旋转爆轰流场的影响,通过在开源计算流体动力学软件OpenFOAM框架内求解Navier-Stokes方程,对C₂H₄/Air旋转爆轰燃烧室（RDC）进行三维数值模拟研究。保持进气总压为0.6 MPa,分别在总温300 K、600 K和800 K条件下对比同轴圆环形和凹腔基环形两种构型RDC的主要流场特征,研究凹腔对旋转爆轰波传播特性的影响,定量分析不同热释放速率下消耗的燃料占比,对比了不同热释放速率下消耗的燃料比例。结果表明：对于凹腔基环形RDC,在凹腔内存在回流区,导致在凹腔上游流速缓慢,但在凹腔收缩段流动明显加速,RDC出口的面平均马赫数大于与之对应的同轴圆环形RDC;受燃料向RDC出口和凹腔内壁方向侧向膨胀的影响,相对于同轴圆环形RDC,爆轰波在凹腔基环形RDC中传播时具有更高的速度亏损;部分新鲜燃料与燃烧产物在凹腔内混合,提高了爆轰波波前反应物的温度;在相同进气条件下,同轴圆环形RDC以爆轰形式消耗的燃料占比更多。所得研究结果对RDC的结构设计和优化具有一定的指导意义。     

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。     

基于环形喷管的脉冲爆轰发动机爆轰声波声学特性

喷管结构对爆轰发动机性能和爆轰声波声学特性具有重要的影响。为探究环形喷管作用下脉冲爆轰声波的声学特性,基于脉冲爆轰发动机搭建了自由空间内爆轰声波实验系统,针对环形喷管作用下爆轰声波时频域特性、声场指向性和持续时间等声学特性进行实验研究。结果表明：在该实验条件下,环形喷管改变了爆轰声波的能量分布,对爆轰声波的声学特性有重要的影响;环形喷管作用下的爆轰声波在0°方向的上升沿持续时间最长;90°方向上峰值声压最高,衰减速度最快,衰减幅度最大;爆轰声波呈现出明显的90°方向凸出的指向性;爆轰强声的A持续时间随着传播角度的增大而逐渐减小。     

凝聚相炸药拐角爆轰的数值模拟

基于多介质可压缩流体方程和炸药反应速率方程构建了三维凝聚相炸药爆轰的物理模型,建立了适用于多相爆轰混合反应区计算的热力学平衡迭代方法并开发了高效稳定的爆轰并行模拟软件,基于对比试验验证了物理模型、数值方法和软件模块的正确性。通过数值模拟不同拐角的爆轰过程,重点研究了凝聚相炸药拐角爆轰的波阵面结构、流场与化学反应的相互耦合和拐角处的二次起爆机理。结果表明,PBX9404炸药135°拐角比90°拐角衍射范围更大,波阵面结构受到当地流场波速的影响;爆轰波绕过拐角后由于流场涡流作用导致化学反应与前导激波解耦,形成临时"死区",随着拐角增大,拐角死区范围扩大;死区二次起爆的关键是混合反应区回爆波的作用时间大于拐角区域起爆的临界诱导时间。