驻定斜爆轰波起爆条件与结构的数值模拟研究

为了探究驻定斜爆轰波的起爆条件以及来流马赫数和楔面角对斜爆轰波形态结构的共同影响,基于二维欧拉方程和单步化学反应模型,对驻定斜爆轰波进行数值模拟研究。结果发现,斜爆轰波的起爆和结构受到来流马赫数和楔面角的显著影响,来流马赫数越小,形成斜爆轰波的楔面角条件越苛刻。随着来流马赫数和楔面角增加,波后混合气体温度升高,爆轰反应变得更加剧烈,使得斜激波诱导区域变短,未反应气团减少,接触间断面更靠近楔面,下游出现的涡结构也减少。     

超声速弹丸诱导爆轰波的无网格数值模拟

为研究锥角对超声速弹丸诱导爆轰波形态的影响,发展了耦合有限速率化学反应模型的最小二乘显式无网格算法,其流体动力学采用含化学反应源项的多组分Euler方程建模,对流项和时间项分别采用多组分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和四阶Runge-Kutta法计算。对尖劈诱导斜爆轰以及激波诱导燃烧流场进行了模拟,验证了算法的有效性。最后对等当量比甲烷/空气预混气体中,不同锥角弹丸诱导爆轰波流场进行了模拟,云图同实验阴影照片吻合较好,结果表明当锥角处于70°~100°时,易形成驻定斜爆轰波;锥角较小不利于可燃混合气体的点燃,仅能形成驻定斜激波;过大的锥角将导致爆轰波的脱体。     

爆轰波-激波迎面作用后的稳定波系

本文为对当量比乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波正面对撞产生稳定波系的实验和理论研究.实验主要以高速扫描摄影获取两波对撞的x-t纹影图,一维理论分析则基于三种热完全的组分求解两波对撞的稳定解并探寻它们的规律.实验发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这种波系情况与一维理论分析中CJ解一致.透射CJ爆轰与人射爆轰相比马赫数降低,而相对波前来流的传播速度有轻微提高,但在实验室坐标下其速度显著降低.透射波系受初始压强影响不大;初始温度提高使得爆轰波速度降低,而透射激波速度增加;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波时稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大.     

曲面激波诱导斜爆轰的数值模拟

为了研究恰当比预混氢气-空气斜爆轰流场的波系结构和流动特征,基于带化学反应的Navier-Stokes方程,对弹头及楔穿越预混气体时诱导的斜爆轰进行了数值模拟。对流项的离散采用Steger-Warming格式,时间项采用二阶Runge-kutta方法。结果表明,对于弹头：（1）在亚爆轰条件下,能够模拟氢气-空气预混诱导爆轰流场的精细结构;（2）在超爆轰条件下,通过精细调整网格,能够很好地分辨强烈耦合的激波和燃烧波,且与Lehr实验吻合良好。对于楔结构：捕获到了清晰的三波点及其复杂精细的斜爆轰流场结构,预测的诱导燃烧距离、激波角和斜爆轰角与实验吻合良好;通过对流场波系结构变化过程的研究,获得了流场三波点随时间的演化过程。     

预混超声速气流斜激波诱导脱体爆轰研究

为了研究高静温预混超声速气流中爆轰的机理问题,利用自主设计的连续式加热器来产生马赫数为2.6,静温大于700 K的氢/空气预混超声速气流,并采用高速纹影技术来观测斜激波诱导脱体爆轰的直接起爆和发展的动态过程.研究表明,实验得到的起爆前斜激波和起爆后脱体爆轰波的角度与理论分析结果非常一致.并发现由激波诱导爆燃向激波诱导脱体爆轰的转变过程非常快;而且对于当前初温较高当量比较低的混合物,会出现爆轰波突然熄灭与重新起爆的现象.当前研究为爆轰燃烧在高超声速推进中的应用提供了重要参考.      

斜爆轰波系在受限空间内的演变及其临界条件的数值研究

作为一种面向未来高马赫数吸气推进技术的新概念发动机,斜爆轰发动机的运行依赖其稳定的宏观波系结构。本文针对斜爆轰发动机简化模型,采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术,数值分析斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变,并进一步分析爆轰波系结构转变的临界条件。研究结果发现,随着楔面角度的增加,依次出现四种结构：激波诱导燃烧,斜爆轰波双规则反射,回流区马赫反射,楔面燃烧。对于稳定的波系结构,楔面压缩角同时存在下临界、亚临界以及超临界三种极限条件,在波系演变过程还伴随激波规则反射和马赫反射的转变。     

旋转爆轰流场的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量比的氢气-空气预混气和空气的环形旋转爆轰流场,从点火燃烧到发展成旋转爆轰的过程进行了数值模拟。根据数值结果分析了波后流场中爆轰产物受激波、高温和离心力等作用而挤向外壁,形成有利于充入燃料,实现持续稳定旋转爆轰的流场特征。还讨论流场中爆轰波、激波与间断面和内外壁面反射或折射,从而形成多个激波相交的波系特征。为认识和理解旋转爆轰流场,开展旋转爆轰的实验研究等具有现实的指导意义。     

预混气爆轰马赫反射实验研究

为研究斜爆轰马赫反射的实验现象以及不稳定性对马赫反射的影响,在矩形爆轰管道中,对3种预混气的马赫反射现象进行了实验研究,取得烟膜记录。烟膜结果显示,三波点高度在楔角附近与无反应三激波理论类似,随后逐渐偏向反应三激波理论,三波点实际高度由反应实际放热量决定,三种气体偏转始末距离与结束偏转距离之比平均值分别为0.42,0.49,0.31,与三者活化能大小关系相符合。胞格结构随初始压力增大而渐趋规律,胞格尺寸也逐渐减小,由CJ区域到过驱区域胞格结构存在明显的转变。横波是影响斜爆轰稳定的重要因素,压力增大可抑制分子的无规则运动,使横波出现的位置更加集中,胞格更为规律。预混气爆轰不稳定度大的气体横波出现的时空位置更不易确定,胞格结构更不规律,胞格尺寸较小。     

增设收缩截面后的爆轰驱动激波管性能研究

为提高前向爆轰驱动激波风洞的性能，采用在驱动段靠近主膜外增设一个收缩喉道的方法，以此来产生较为均匀的驱动气源。实验结果表明此方法有效地削弱了爆轰波后Taylor稀疏波的影响。     

旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性，可提高热力循环效率，因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法，采用剪切应力输运k-ω湍流模型，建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型，研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用，分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明：旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速，并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用，由于旋转爆轰波不同的传播方向，使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行，进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用，涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征，并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。