当量比对液体燃料旋转爆轰发动机爆轰影响实验研究

为了研究液态燃料连续旋转爆轰波起爆机理和不同工况下的旋转爆轰波特性,采用了环形阵列式精细雾化装置,进行了汽油/富氧空气组合的连续旋转爆轰试验。试验成功起爆并实现了旋转爆轰波的自持传播,爆轰波传播频率为2.1~2.4k Hz,传播速度为1022.2~1171.8m/s。该发动机上旋转爆轰波始终为同向传播模态,存在单波头、双头波和多波头同时存在的混合传播模态,旋转爆轰波传播速度存在亏损。试验工况范围内,旋转爆轰波的传播速度随总推进剂的质量流量增大而增加;在一定工况范围内,同一当量比工况下,旋转爆轰波压力值随总推进剂的质量流量增大而增加;旋转爆轰波压力极大值出现在当量比1.1附近。     

旋转爆轰燃烧室高度对流场影响

为了研究旋转爆轰燃烧室几何结构对旋转爆轰波的影响规律,针对旋转爆轰燃烧室高度对爆轰流场结构和爆轰波传播特性问题,采用2维数值模拟方法分析了爆轰波在4种高度的燃烧室内的参数变化和波系特征。结果表明:在4种高度的燃烧室内爆轰波均能自持传播,且爆轰流场结构相似;当燃烧室高度为4 mm时,爆轰波后的反射激波压力较高;在一定范围内,爆轰波传播速度随燃烧室高度的增加而增大,在爆轰波高度为10、16和20 mm时,爆轰波波锋面的压力分别为3.93、4.61、4.69 MPa。     

旋转爆轰的三维数值模拟

旋转爆轰利用爆轰波在燃烧室的供气端传播,而爆轰产物从另一端排出。为了揭示其宏观特性,采用带化学反应的三维Euler方程,在贴体坐标系中,利用带限制函数的波传播算法,对圆环形燃烧室内的旋转爆轰进行了数值研究,讨论了爆轰传播过程中的波系结构。数值结果表明,即使仅在燃烧室内壁面的部分区域充入可燃气,爆轰波也能够以旋转方式在该区域稳定传播。     

环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性影响实验研究

为了研究空气喷注环缝宽度对两相旋转爆轰波压力与频率特性的影响,通过改变环缝宽度与当量比开展了大量实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径以及长度分别为204mm、166mm和155mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式进行混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,发动机采用预爆轰管作为点火装置。实验通过燃烧室内测得的高频动态压力信号,对两相旋转爆轰波的传播稳定性、压力特性以及频率特性进行了详细分析。实验结果表明:在不同环缝宽度下均实现了高总温空气与汽油的两相旋转爆轰。当环缝宽度为3mm和4mm,旋转爆轰波平均峰值压力与传播频率均随着当量比增大而增大;增加环缝宽度至6mm,爆轰波传播稳定性变差,平均峰值压力与传播频率随当量比先增大后减小。当环缝宽度为4mm,获得的旋转爆轰波平均峰值压力最高,压力脉动强度最小,爆轰波传播稳定性最强。在一定工况范围内,增加当量比可有效降低爆轰波峰值压力脉动强度。此外,随着空气环缝宽度的增加,爆轰波传播频率整体降低。当环缝宽度为3mm,当量比为1.19时,爆轰波以单波模态在环形燃烧室内连续旋转传播,平均传播速度约为1176.6m/s,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

考虑燃料雾化的气液两相连续旋转爆轰数值模拟

为研究气液两相连续旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰波的传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,建立了欧拉-拉格朗日模型进行二维数值仿真,其中气相方程采用时空守恒元与求解元方法求解,液相方程采用标准四阶龙格库塔法求解。在两相旋转爆轰模型还考虑了液滴雾化破碎过程。计算结果表明：起爆后形成的初始爆轰波经过初始燃料填充区域后逐渐衰减,随后入口附近新生成的压力波经过一系列发展形成了自持稳定传播的旋转爆轰波;旋转爆轰波的传播模态受燃料与氧化剂的喷注压力和氧化剂填充比影响,在不同工况下旋转爆轰波呈现出4种传播模态,即稳定单波模态、稳定双波模态、不稳定双波模态和不稳定单波模态;在双波模态工况下,燃烧室内初始只形成1个爆轰波,后由入口附近局部爆炸产生的压力波发展为新的爆轰波,转化为双波模态后爆轰波的强度略有下降,但燃烧室整体推力更加平稳。     

基元化学反应一维爆轰波的数值模拟

应用基元化学反应模型对一维氢氧混合气体爆轰波进行数值模拟。采用一端高温高压点火起爆的方式,模拟爆轰波的传播。对一维爆轰波的结构、传播特征以及各个化学组分的变化趋势进行了研究。通过将模拟的结果同国内外的研究结果进行对比,发现了一些规律,为多维爆轰波的数值模拟和脉冲爆轰发动机的研究奠定一定的基础。     

液态燃料喷注压力对旋转爆轰波影响的实验研究

为了深入研究液态燃料旋转爆轰波传播特性,以汽油为燃料,富氧空气为氧化剂,开展了液态燃料喷注压力对旋转爆轰波传播特性影响的实验研究。使用马尔文粒度仪对不同喷注压力下的雾化流场进行测量,结果表明在距离喷嘴出口各平面上的液滴粒径均满足正态分布;且随着喷注压力的增大,液滴雾化细度不断改善,在距离喷嘴出口60 mm处二次雾化基本完成。在汽油质量流率为96 g/s,当量比为1.3工况下,旋转爆轰波以单波模态传播,传播频率为2494 Hz,平均传播速度为1198 m/s。液态燃料的喷注压力对旋转爆轰波的传播特性具有较大的影响,当喷注压力为0.6 MPa时,由于液滴的雾化粒径较大,无法形成旋转爆轰波。随着喷注压力的增大,液滴雾化细度得到改善,旋转爆轰波可以成功起爆并稳定自持传播,传播速度和平均压力均逐渐增大,传播稳定性也得到改善。     

CE/SE方法在非定常爆轰计算中的应用

建立了非定常爆轰波的理论模型。根据CE/SE方法的基本思想，推导出适合于求解二维N-S方程的长方形网格的CE/SE方法。对于包含刚性反应源项的守恒方程组，将其分为两部分，其中刚性反应源项单独求解。本文以爆轰管内装填C3H8/O2预混气体为例，数值模拟管内爆轰波的传播过程以及爆轰波脱离爆轰管后流场的图谱。计算结果显示，爆轰波在管内传播时，其波系极其复杂。当爆轰波离开出口后，迅速熄灭为非反应的激波。管外不仅有激波、膨胀波的传播，而且还存在激波与涡的相互作用。数值实践表明，该CE／SE方法可以有效捕获爆轰波与激波等强间断。     

非预混条件下的旋转爆轰燃烧室双波头演化过程数值模拟

针对旋转爆轰燃烧室双波头演化过程中流场结构变化的问题,对非预混条件下的旋转爆轰燃烧室从起爆到形成稳定的双波头过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,从起爆到形成稳定爆轰过程,燃烧室主要经历了起爆、爆轰波对撞和稳定爆轰三个阶段；在爆轰波对撞阶段,首次对撞是两个爆轰波间的对撞,由于对撞点处缺少新鲜混合气,从而在对撞结束后衰减为两个压力波。第二次对撞是两个压力波间的对撞,因为在第二次对撞点附近存在新鲜混合气来支撑爆轰波的持续传播,故对撞结束后产生了一个爆轰波和一个较弱的压力波；第二次对撞发生后,燃烧室内的压力波反射叠加并形成局部高压区,此高压区压缩气体使气体温度升高,高温气体引燃混合气后,最终发展成为第二个爆轰波；稳定阶段,两个爆轰波均能稳定自持传播,爆轰波峰面压力可达1.45MPa,波后温度为2500K,爆轰波速度稳定在1738m/s,产生的推力与比冲分别为79.76N和2312.15s；斜激波的存在使燃烧室出口平面流场产生了较大波动。      

旋转爆轰波中多波流动模式的数值研究

为了研究旋转爆轰燃烧室内复杂的波系结构,特别是爆轰波多波传播模式的影响因素,采用两步诱导-放热总包反应模型,对简化的二维旋转爆轰波进行数值模拟。在不考虑环形爆轰燃烧室曲率的情况下,研究了进口总温和周向尺寸对单波及多波流场结构的影响。结果表明,一定范围内进口总温的增加会使得爆轰波的波头数目增加,且双波流场结构中存在双波对撞和双波同向两种传播形式,双波同向传播和三波同向传播之间则稳定存在着两组双波对撞流场,且有对应的温度范围;对于双波对撞模式,持续减小周向尺寸能够使得流场结构转变成单波模式;周向尺寸的增加则会使得双波对撞向双波同向传播模式转变。     

管道相连泄爆容器中粉尘爆炸的实验研究

采用管道相连容器进行了工业规模的粉尘爆炸实验,目的是研究粮食粉尘在管道相连的加工和输送工业设备中发生粉尘爆炸时火焰和爆炸压力的传播过程及粉尘的Kst值对爆炸的影响。实验装置为一个气力输送系统,由两个不同体积的容器通过管道连接构成。采用粮食工业上具有代表性的两类粉尘进行了粉尘爆炸测试,爆炸从一个容器中通过管道传播到另一个容器中并引发了随后的二次爆炸,测试了不同位置的火焰和压力信号。实验结果表明：即使在起爆容器采取了泄爆措施,管道中没有粉尘喷入的情况下,粉尘爆炸火焰也可沿管道传播达30m并引发二次爆炸;随着粉尘爆炸指数的增大,初始爆炸的猛烈程度增强,火焰传播速度加快,二次爆炸的猛烈程度也随之增强。     

基于摄动理论的爆高确定方法研究

分别讨论了两种通过飞行时间确定爆高的方法:解析计算修正法和时间偏导数法,这两种方法都是通过计算延迟时间来确定爆高,具有自主性强、可靠性高的特点。计算了两种方法在不同干扰条件下的结果,分析了造成计算偏差的原因。计算结果表明,两种方法的计算误差都非常小,均可应用于弹道导弹爆高确定。     

球形容器小口泄爆压力变化特性

以甲烷-空气预混气体为实验介质,研究了22L球形容器在小口有约束和无约束泄爆条件下,不同无量纲泄压比时的泄爆压力变化特性。研究发现：有约束泄爆时,当破膜压力保持不变,随着无量纲泄压比的减小,球形容器的最大泄爆压力和最大泄爆压力上升速率均增加;无量纲泄压比大于一定值时为平衡泄爆,否则为非平衡泄爆;有约束泄爆时,当无量纲泄压比大于0.009而小于0.025时,泄爆有着明显的效果,泄压是完全有效的;当无量纲泄压比大于0.00169而小于0.00900时,最大泄爆压力与密闭爆炸压力接近,泄爆效果较差;当无量纲泄压比小于0.00169时,最大泄爆压力略大于密闭状态下的爆炸压力;无约束泄爆时,不同无量纲泄压比的最大泄爆压力均低于密闭状态下的爆炸压力。实验结果为工业生产中球形容器的泄爆安全设计提供科学依据。     

水下爆炸的数值模拟研究现状

阐明水下爆炸的深入研究对军事和民用工业都有着重要的意义,水下爆炸数值模拟可分为爆炸现象数值模拟和舰船及水下结构数值模拟两方面,文中分别从这两方面分析和总结了水下爆炸的数值模拟研究现状。     

NiAl（Fe）体系热爆反应延滞时间的研究

在提出热爆反应着火判据的基础上,对ＮｉＡｌ（Ｆｅ）体系的热爆过程进行了实验研究。对工艺参数如混合物的相对密度、Ａｌ粉的相对含量、Ａｌ粉粒度、加热速率、Ｆｅ的相对含量对热爆点温度和热爆延滞时间的影响做了分析。结果表明,对于反应物配比和混合物相对密度而言,均存在一最佳值,此时热爆反应速率最大,延滞时间最短     

Explosion mechanism in supernovae collapse

The prevailing number of supernovae have come from the collapse of iron stellar cores. The 1D-hydrodynamic theory has failed, for more than 20 years of its development, to find an effective mechanism of the supernova explosion, despite the fact that it describes the characteristics neutrino pulse satisfactorily. In the present paper a scenario of rotational nature of collapsing supernova explosion is formulated and discussed.In the first stage of the collapse, a fast rotating protoneutron star is formed (quasi-1D-hydrodynamic model by Imshennik and Nadyozhin 1977, 1992). Then in the second stage it fragmentations into a short-lived neutron binary star, which results in an inevitable supernova-scale explosion of the low-mass component: energy release is just about 10⁵¹ ergs. The important effects of fragmentation, gravitational radiation, mass transfer and the explosion are investigated by both analytical and numerical methods (Aksenov and Imshennik, 1994; Imshennik and Popov, 1994; Aksenov, Blinnikov, and Imshennik, 1994, in press). A comparison of the proposed scenario with the explosion of SN 1987A is made.     

在核爆炸冲击波环境中飞行飞机的结构动力响应分析

着重分析在核爆炸冲击波环境中飞机结构动力响应有关问题,推导了动力学基本方程,介绍了飞机在核爆炸冲击波中非定常气动载荷计算方法,给出了结构动力响应分析的思路和计算过程,提出了飞行飞机在核爆炸冲击波作用下总体结构安全边界值的估算方法,并对存在的问题进行了讨论。     

钛合金放电诱导可控燃爆烧蚀高效车削

钛合金在放电诱导和助燃氧气的共同作用下能通过自身燃烧反应被蚀除,随着助燃氧气压力增大,钛合金蚀除速度增大,但是当气体压力增大到一定程度时会发生爆炸,影响材料成形精度。针对钛合金放电诱导烧蚀高效车削加工提出了基于可控燃爆机理的新加工理念,即通过定量高压复合低压进气系统以实现钛合金在加工过程中处于可控燃爆状态,以增加钛合金蚀除速度。并与只通入低压氧气的加工方式进行对比试验。结果表明:基于可控燃爆机理的车削加工,在保证加工精度的前提下,通过间歇定量高压助燃氧气实现钛合金燃爆的可控高效加工,其蚀除速度远远高于只通入低压氧气的放电诱导烧蚀车削。     

泄爆面积对连通容器预混气体泄爆影响的实验研究

在大小两个体积不等的球形容器和圆形管道组成的连通容器中,开展连通容器泄爆实验,研究连通容器等泄爆面积条件下的火焰传播和压力变化情况。结果表明：火焰从起爆容器加速传播到传爆容器,但由于容器的开口泄爆,火焰传播速率小于密闭爆炸的火焰传播速率;随泄爆面积的减小,连通容器的泄爆压力和压力上升速率均增加;连通容器爆炸受管道火焰加速和压力累积作用,在相同泄爆面积条件下,容器的最大泄爆压力和最大压力上升速率高于单个容器爆炸时的最大泄爆压力和最大压力上升速率,特别是当小容器为传爆容器时,差别更加明显,不能用单个容器的泄爆设计方法来指导连通容器的泄爆。     

爆炸冲击波对反舰导弹发动机舱的毁伤效应

为研究爆炸冲击波对来袭反舰导弹发动机舱的毁伤效应,应用ANSYS/LS-DYNA软件,对定量TNT和压装8701炸药爆炸产生的冲击波毁伤不同距离处的反舰导弹发动机舱进行了数值模拟。计算结果表明:爆炸冲击波对导弹发动机舱的毁伤以壳体凹陷为主要形式,对凹陷壳体周围区域几乎没有影响；爆炸冲击波对反舰导弹发动机舱的毁伤效应,随起爆点距离增加而迅速减小,且初期衰减速度明显大于后期。10 kg的装药量、炸点位于3 m处时,TNT和压装8701炸药对反舰导弹发动机舱基本无法造成毁伤。