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.     

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。     

脉冲爆轰发动机进气压力对爆轰影响的实验研究

为了研究脉冲爆轰发动机进气压力对爆轰过程的影响,对以汽油空气混和物为燃料的脉冲爆轰发动机进行了实验研究.实验得到了工作频率为33 Hz和40 Hz的稳定爆轰波,其峰值压力分别为1.5～1.8 MPa和1.3～1.8 MPa.实验结果表明,空气进口压力对点火起爆过程及爆轰频率等具有大的影响,当进口空气压力降低,点火起爆过程变难,爆轰频率下降.实验结果对脉冲爆轰发动机机理研究及实验装置改进等具有一定的参考价值.     

预压缩爆轰过程和爆燃过程机械功输出能力比较

为研究介质的预压缩对脉冲爆轰发动机效率的影响,通过热力学过程效率分析,计算了对可爆介质进行不同程度预压缩的条件下,爆轰过程和爆燃过程机械功输出能力.研究中,介质被认为是多方气体介质,爆轰过程被近似地认为是等容燃烧过程,而爆燃过程则被视为等压燃烧过程.研究结果表明,对介质进行预压缩,可以提高爆燃、爆轰2种过程的机械功输出能力.对于给定的化学反应热,预压缩对爆燃过程机械功输出能力的影响,大于对爆轰过程相应能力的影响.     

无阀式汽油/空气两相脉冲爆轰发动机试验研究

设计加工了直径为80 mm的无阀式汽油/空气两相脉冲爆轰发动机,在试车台内开展了10～20 Hz工作频率及0.14～0.16 MPa进气压力工况条件下的试验,研究了脉冲爆轰发动机内燃烧转爆轰过程.通过分析动态压力传感器上采集得到的信号,给出了点火开始至爆轰波形成时间在不同工况下的变化情况.结果表明,脉冲爆轰发动机可以在10～20 Hz工作频率下稳定工作;增大进气压力与提高爆轰发动机工作频率,有助于燃烧转爆轰的形成.研究结果为脉冲爆轰发动机燃烧转爆轰机理以及设计运行提供了参考.     

乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p₀=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现：采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明：若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。     

脉冲爆轰发动机冲击波外流场数值模拟

为了研究脉冲爆轰发动机冲击波外流场的变化特点,利用CE/SE方法,推导了二维粘性湍流模型的网格数学离散模型.计算中采用标准k-ε两方程湍流模型,对于近壁区域采用低雷诺数模型进行处理.模拟得到了脉冲爆轰发动机外流场中压力、温度的变化规律.模拟结果表明,脉冲爆轰发动机外流场中存在相互作用的旋涡、激波和膨胀波.模拟结果对脉冲爆轰发动机外流场特性研究具有重要的参考价值.     

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。     

PDE点火室内凝胶汽油雾化特性的试验研究

为了研究凝胶汽油在脉冲爆轰发动机内的雾化特性,采用马尔文粒度仪测试了脉冲爆轰发动机点火室内雾化液滴的索太尔平均直径。为了降低爆轰管内雾化液滴粒径,设计了挡风凹腔结构。试验表明:在未加装挡风凹腔时,脉冲爆轰发动机气源供气压力越大,雾化液滴索太尔平均直径越大; 挡风凹腔可有效改善空气供气压力对撞击式雾化的不利影响,在加装挡风凹腔后,脉冲爆轰发动机气源供气压力越大,雾化后的液滴索太尔平均直径越小; 挡风凹腔结构尺寸越小,凝胶汽油雾化液滴索太尔平均直径越小。     

喷管对脉冲爆轰发动机爆轰噪声影响的实验研究

喷管不但可以增加脉冲爆轰发动机推力,而且对脉冲爆轰发动机噪声的形成与传播也具有重要作用。为探索脉冲爆轰发动机爆轰噪声形成机理及控制技术,搭建了脉冲爆轰发动机噪声测试实验系统,在不同位置不同角度对3种不同类型喷管的脉冲爆轰发动机爆轰噪声特性进行了研究。研究结果表明,收敛扩张喷管对于减小脉冲爆轰发动机爆轰噪声幅值作用最为明显,在0°方向3 000 mm处可以达到77.13%的降幅;对于收敛喷管,收敛角度越大指向性越明显,而扩张和收敛扩张喷管的喷管出口面积越大指向性越不明显;喉部直径48 mm的收敛扩张喷管与管口直径280 mm和320 mm的扩张喷管对参考半径影响最为显著,参考半径由1 600 mm减小至800 mm. 研究结果对于爆轰噪声机理研究以及脉冲爆轰发动机工程化应用具有重要参考意义。     

环境含氧量对液固混合FAE能量释放特性影响研究

为研究环境含氧量对液固混合FAE能量释放特性的影响,依据量热法原理测量了试样在不同含氧量下的爆热,同时在密闭条件下利用PCB压力传感器测量了试样在不同含氧量下的准静态压力,结合傅里叶变换红外光谱仪对爆轰气体产物进行了检测和验证。试验结果表明:随着氧气含量的增加,试样爆热值逐渐增加,爆轰气体产物中CO和CO₂含量逐渐增加; HCN含量先增加后迅速下降,CH₄的含量逐渐下降; 在标准状况和氧气条件下,试样的准静态压力分别为0.255 MPa和0.310 MPa。结果表明:随着环境含氧量的增加,试样的氧化性逐渐增强,同时释放出更多的能量,大幅提高了液固混合FAE爆炸的能量释放率。     

多硝甲基氧化偶氮呋咱含能衍生物爆轰与安全性能理论研究

为了考察多硝甲基氧化偶氮呋咱含能衍生物的爆轰与安全性能,基于密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上,对比研究了硝基氧化偶氮、三硝甲基氧化偶氮及氟二硝甲基氧化偶氮三种含能基团对呋咱、偶氮呋咱、氧化偶氮呋咱及呋咱醚的几何构型、静电势分布、密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压、键离解能以及撞击感度的影响。结果表明,三硝甲基氧化偶氮基团与氟二硝甲基氧化偶氮基团均可大幅提高呋咱衍生物的密度和氧平衡,氟二硝甲基氧化偶氮基团还可大幅提高呋咱衍生物的爆速和爆压,且具有良好的热稳定性和撞击感度特性。基于12种呋咱含能衍生物理论计算结果,筛选出一种高能量密度化合物:3,3′-双(氟二硝甲基氧化偶氮基)-4,4′-氧化偶氮呋咱,其密度为2.019g·cm~(-3)、爆速为9.735km·s~(-1)、爆压为44.90GPa、特性落高为36cm。     

网状聚氨酯泡沫爆轰试验及数值模拟

针对网状聚氨酯泡沫中氢氧爆轰力学响应特性问题,采用试验和数值模拟相结合的方法,分析了密闭容器内无填充材料、填充孔径20PPI及40PPI网状聚氨酯泡沫三种条件下的爆炸温度及压力值,阐述了网状聚氨酯泡沫作为填充材料防火抑爆的机理.结果表明:多孔泡沫的孔结构对可燃气体爆轰波具有抑制作用,导致温度和压力明显降低,且材料的孔径越小,爆轰波受到的抑制作用越大;数值模拟与试验结果吻合较好,表明计算结果可靠.     

复合射孔器爆燃气体压力计算模型

为获得适合工程应用的爆燃气体压力计算方法,并分析装药燃烧形式以及爆燃气体压力变化过程,对复合射孔器爆燃气体压力计算模型进行了研究.基于装药燃烧满足几何燃烧定律,燃气体特性参数均匀分布,注水区和岩石区在爆燃气体作用下分别发生弹性压缩和塑性压缩等假设,考虑装药燃烧、射孔扩展过程、注水区运动和压缩过程等因素对爆燃气体压力的影响,推导出了计算模型微分方程组.算例分析表明:该模型能正确反映爆燃气体压力的基本特性,并具有操作性强、能够反映压力变化过程等特点.     

装药密度及尺寸对RDX基含铝炸药爆压爆速的影响

利用锰铜压力传感器和测时仪测量了不同装药密度和尺寸下的RDX基含铝炸药的爆压和爆速,拟合出了爆压、爆速与装药密度的关系式,研究了装药密度和尺寸对RDX基含铝炸药爆压、爆速的影响。结果表明,随着密度的增加,RDX基含铝炸药的爆压和爆速均增加;当装药直径和装药长度分别达到20 mm和40 mm时,RDX基含铝炸药已经达到稳定爆轰,装药直径和装药长度再增加,爆压和爆速基本不变。     

脉冲爆轰发动机管壁传热特性的数值研究

为了探究爆轰过程中燃烧室管壁的传热特性,采用CE/SE方法和有限差分法分别对气液两相脉冲爆轰发动机(PDE)内流场及燃烧室管壁的传热问题进行了数值计算; 运用能量平衡法解决了内流场与管壁传热之间的耦合传热问题。计算结果表明,对于燃烧室内任一截面,爆轰波扫过或膨胀波到来时,对流换热强度大,内壁面温度上升快; 单次爆轰时,爆轰波所在区域温度高达2 000 K,管壁靠近内壁面的区域径向上存在较大的温度梯度,靠近外壁面的区域温度几乎没有变化; 当燃烧室管口压力恢复到环境压力时,从PDE头部到尾部,管壁内壁面温度逐渐升高,热量传递区域厚度逐渐增大。     

考虑平衡气体效应的斜爆轰波驻定窗口的研究

为研究真实情形下斜劈诱导的斜爆轰波的驻定窗口及影响因素,利用考虑平衡气体效应的极曲线关系式,分析了氢气-空气混合物的斜爆轰波的驻定窗口。与已有的一步反应的驻定窗口对比,讨论了平衡气体效应带来的特性; 调整来流混合物的马赫数、压力、温度和当量比,分析了不同参数对驻定窗口的影响。研究结果表明,在氢气-空气混合物中采用9种平衡气体组分时,随着来流马赫数和温度的增加、混合物当量比的减少,形成的驻定窗口明显增加,斜爆轰波更容易驻定; 初压对斜爆轰波的驻定影响较小。     

爆震管内缓燃到爆震转变距离和时间的数值模拟

为了研究爆震管内缓燃向爆震转变(该过程称为DDT)距离和时间,对爆震管内DDT过程进行了二维数值模拟,研究改变氧气浓度及使用辛烷和氢气双燃料对爆震管DDT距离和时间的影响.数值模拟结果表明:当氧化剂中氧气体积分数占20％ ～ 40％时,增加氧气体积分数可以缩短DDT距离和时间;当氧气体积分数大于40％时,初始火焰在极短的时间和距离发展为稳定传播的爆震波;相同条件下,使用辛烷和氢气双燃料较单一辛烷燃料能获得更短的DDT时间和DDT距离,双燃料中氢气体积分数20％时,影响效果最好.     

不同初始压力下氟利昂-空气混合气体爆炸反应参数的数值计算

为研究氟利昂-空气混合气体的爆炸特征,本文采用基于体系达到化学平衡,其自由能最小原理的数值计算方法,计算了不同氟利昂含量的氟利昂．空气混合气体在不同初始压力下的反应温度和压力。结果表明,氟利昂-空气混合气体的反应温度和压力,随着初始压力的升高而增大,在初始压力一定时,氟利昂含量为20％的混合气体反应温度和压力最大。     

冲击片雷管多点同步起爆爆轰波压力的数值模拟和试验

采用有限元程序AUTODYN软件分别进行了冲击片雷管三点、四点、六点、八点同步起爆爆轰波压力值的数值模拟。分析了影响多点同步起爆爆轰波压力的因素。采用锰铜测压方法测试了多点冲击片雷管的同步起爆爆轰波压力。使用高速摄影系统拍摄了四点冲击片雷管的作用过程。结果表明,四点冲击片雷管的爆轰波压力平均值相比三点、六点、八点高。在中心距为4 mm并且装药量均为180 mg时,四个起爆点产生的爆轰波发生相互碰撞,爆轰波叠加形成超压爆轰,并能可靠起爆钝感炸药TATB。在中心距为8 mm并且装药量均为180 mg时,由于中心距较远,爆轰波衰减较快,相邻两点爆轰波发生的碰撞较少,产生的超压值也随之降低。