预混气不稳定性对螺旋爆轰结构的影响研究

为了明确预混气的不稳定性对螺旋爆轰内部结构的影响,在内径63.5mm的爆轰管道内进行了C_2H_2+2.5O_2+85%Ar,2H_2+O_2+50%Ar,C_2H_2+2.5O_2+70%Ar,C_2H_2+5N_2O和CH_4+2O_2的爆轰实验,得到壁面烟膜和端面烟熏玻璃记录的三波点轨迹。分析了预混气单头、双头、多头螺旋的差别及原因,发现预混气越不稳定,端面结构越难形成规则图形。稳定预混气向内部延伸模式较规律,不稳定预混气向内部延伸规律由于横波间相互干渉较难寻找。对多头胞格进行数字化处理,获得了壁面的三波点轨迹间距和端面的胞格尺寸数据以及方差。发现端面胞格的尺寸与壁面数据发展趋势一致,但是低于壁面数据,其中,C_2H_2+2.5O_2+85%Ar,2H_2+O_2+50%Ar,C_2H_2+2.5O_2+70%Ar和C_2H_2+5N_2O壁面横波间距分别由45.7,72.7,47.1和24.9减小为10.2,17.4,13.2和12.1,端面胞格由19.6,19.9,8.5和18.2减小为6.8,7.1,4.1和5.0。胞格离散度与轨迹间距离散度一致,但是胞格离散度更高,其原因在于壁面处的活化分子因为碰撞到壁面而减少。     

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。     

环管中甲烷-氧气预混气爆轰传播机理研究

为了研究环形管内甲烷的爆轰传播机理,在内径为80mm的管道内分别安装内径为20mm,40mm,60mm的内管,形成环形管道,进行了甲烷-氧气预混气爆轰实验。将烟膜分别固定在外管的内壁以及内管的内外壁,记录环形管道通道内的三波点轨迹;同时在环管端面安设烟膜记录端面的轨迹。所记录的轨迹较混乱,这是因为横波在沿着传播方向绕着管轴旋转时不断地相互碰撞,反映出甲烷-氧气预混气是典型的不稳定预混气。明显可见当初始压力为12kPa时,爆轰波在普通圆管内呈现双头螺旋爆轰结构,设有内部小管内径为20mm的环管外管内壁得到四头螺旋爆轰结构,说明其它因素不变的情况下,环形管内更容易获得自持爆轰。增大环管内管管径为60mm,环形通道内烟膜记录中未显示任何三波点轨迹,因为此管径下,胞格尺寸过大,无法容纳于管道中。增大内管管径,内径为20mm和40mm的环形管道的外管内壁烟膜记录胞格数量增多,胞格尺寸减小,原因为当边界条件改变时,爆轰极限发生相应的变化,分子获得的初始能量多,反应速率快。     

环管中甲烷-氧气预混气爆轰传播机理研究[1]

为了研究环形管内甲烷的爆轰传播机理,在内径为80 mm的管道内分别安装内径为20 mm、40 mm、60 mm的内管,形成环形管道,进行了甲烷-氧气预混气爆轰实验。将烟膜分别固定在外管的内壁以及内管的内外壁,记录环形管道通道内的三波点轨迹;同时在环管端面安设烟膜记录端面的轨迹。所记录的轨迹较混乱,这是因为横波在沿着传播方向绕着管轴旋转时不断地相互碰撞,反映出甲烷-氧气预混气是典型的不稳定预混气。明显可见当初始压力为12 kPa时,爆轰波在普通圆管内呈现双头螺旋爆轰结构,设有内部小管内径为20 mm 的环管外管内壁得到四头螺旋爆轰结构,说明其他因素不变地情况下,环形管内更容易获得自持爆轰。增大环管内管管径为60 mm,环形通道内烟膜记录中未显示任何三波点轨迹,因为此管径下,胞格尺寸过大,无法容纳于管道中。增大内管管径,外管内壁烟膜记录胞格数量增多,胞格尺寸减小,原因为当边界条件改变时,爆轰极限发生相应的变化,分子获得的初始能量多,反应速率快。     

狭缝内爆轰波传播模式的实验研究

为研究狭缝内爆轰波起爆及各种传播模式的特点,实验得到了不同初始压力下(p0=10~60k Pa)化学当量比的乙烯/氧气预混气体在高度1.0mm,宽度20mm狭缝内的爆轰性能。采用烟膜片记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面。结果表明:随着初始压力的降低,实验依次得到稳定爆轰模式、"结巴"爆轰模式、驰振爆轰模式和低速稳定传播模式,中间两者为不稳定模式。不稳定爆轰传播模式具有强烈的速度震荡,在一个周期内,烟膜板中周期性的出现过驱爆轰的胞格结构,随后"结巴"爆轰以单头形式与侧壁面发生碰撞并向前传播,驰振爆轰短暂熄灭。低速稳定传播速度为45%的C-J速度,烟膜板中无胞格结构出现。狭缝内爆轰波速度亏损值为10%~15%,高于大尺寸通道中的速度亏损。     

狭缝内乙烯/氧气预混气体爆轰几何极限的实验

为研究狭缝内爆轰波传播极限,实验得到了不同初始压力(0.004~0.04MPa)下化学恰当比的乙烯/氧气预混气体在狭缝高度为1.0~4.0mm狭缝内的爆轰性能.采用烟膜板记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面.结果表明:狭缝高度越小,爆轰极限对应的临界初始压力越高.对于近极限条件内不稳定爆轰传播模式,包括"结巴"爆轰和驰振爆轰,其对应的初始压力范围随着狭缝高度的降低而变宽.考虑初始和边界条件,将水力直径与胞格宽度之比作为合理的爆轰敏感性参数描述预混气体爆轰特性,得出在不同狭缝通道内爆轰极限范围为,即该比值在0.326~0.403之间.      

混气活性对爆震波在突扩段传播特性的影响研究

为研究爆震波经过突扩段的传播特性,实验采用低活性混气C2H2+2.5O2+70%Ar和高活性混气C2H2+2.5O2,测量了爆震波在扩张比为1.34的圆管间传播的速度变化,并运用化学反应动力学分析爆震波动力学参数。结果表明:爆震波在小管出口的速度至多降至0.6倍的Chapman-Jouguet爆震波速。高活性混气触发的爆震波的成功传播是由于在大管产生局部爆炸,随后形成了过驱爆震波。相应地,低活性混气触发的爆震波不会形成过驱爆震波,且波速的波动范围较小。当预混气体压力小于爆震波从小管向大管成功传播的最低压力时,低活性混气触发的爆震波更快地衰减为爆燃波。通过化学反应动力学分析可知,高活性混气的爆震波稳定性参数较高,更容易形成局部爆炸。在最低压力处两种混气的爆震波诱导区长度接近0.8mm,管径与胞格宽度之比接近于1,因此爆震波在圆管中传播的准则可以用于预估爆震波在扩张比为1.34的圆管内能否成功传播。     

爆轰胞格尺寸的统计分析

爆轰胞格尺寸作为可燃系统的本征值,可用来确定爆轰传播时的临界尺寸,比如直管传播时的临界管径、管道突扩时的临界尺寸等。然而,该尺寸的测量具有较强的主观性。为了减少人工测量带来的不确定性,文章采用两种统计方法:概率密度函数法和自相关函数法,对数值模拟得到的不同规则程度的爆轰胞格进行了统计分析。爆轰胞格的不规则程度采用单步反应的活化能来体现。当活化能较低时(Ea=15),胞格较规则,两种统计方法得到的胞格尺寸较一致。随着活化能的增加(Ea=20),胞格开始不规则,两种统计方法也开始出现偏差。当活化能进一步增加(Ea=25、27),胞格极不规则,开始出现横波的合并,两种统计方法得到的结果出现较大的偏差。这是由于概率密度法处理爆轰波阵面三波点规则时,没有考虑迹线上能量的分布,而自相关函数法根据三波点上的涡量值对胞格尺寸进行统计分析,因此,该方法得到的爆轰胞格尺寸比概率函数法更能真实体现可燃系统的爆轰特性。     

气相爆震波马赫反射转变机理的实验研究

在矩形爆震管道中,选用具有规则胞格结构的高浓度氩气稀释稳态气体C2H2-2.5O2-8.17Ar及不规则胞格结构的非稳态气体C2H2-5N2O,利用纹影和烟膜实验对CJ爆震状态下的爆震波发生马赫反射的转变机理进行了研究。在楔角为30°,5k Pa初始条件下,C2H2-2.5O2-8.17Ar马赫反射转变时马赫杆临界高度约为1.25cm,过驱胞格结构出现的最小距离略小于胞格长度的1/3;C2H2-5N2O马赫反射转变时马赫杆临界高度约为1.5cm,由于其胞格结构不规则,故难以衡量过驱胞格结构出现的位置。实验结果表明:爆震波马赫反射三波点运动轨迹特征为在初始阶段遵循无反应冲击波理论,随后马赫反射发生转变使得运动轨迹逐渐平行于反应冲击波理论,从而验证了爆震波开始形成前导激波马赫反射,由于CJ区域内三波点的介入引起扰动,最终在马赫反射区形成过驱爆震的过程。     

电子枪静电透镜部件仿真与优化

根据电磁透镜的原理可知,作用于工件上的工作束斑尺寸与电子束注腰的位置和尺寸相关。电子枪栅极出束孔直径与阳极位置的改变将会引起电场分布的变化,从而改变电子束注腰的位置与尺寸,最终影响工作束斑的大小。运用电磁场仿真软件CST仿真得到了电子枪静电透镜电场分布与束流轨迹。采用单一变量法,模拟得到100mA束流强度下栅极出束孔直径和阳极位置对电子束注腰位置与尺寸的影响规律。仿真结果表明,其他参数相同时,栅极出束孔直径D为2mm、阳极上端面到栅极下端面距离H为15mm时,电子束注腰位置最高,半径最小。选取优化参数D=2mm、H=15mm进行焊接试验,获得了深宽比更大的焊缝,证明达到了减小工作束斑尺寸和优化束流品质的目的。     

气相爆震波衍射现象的数值研究

对不同条件下气相爆震波在突扩管道和带扩散段管道中的衍射过程进行了数值研究.结果表明:起爆管的直径和临界爆震管直径对爆震波能否成功衍射传入主爆管起到决定性的作用.壁面反射激波与爆震波相互作用在邻近壁面处产生高温、高压区域,有助于减少爆震的诱导时间以及横波间距.扩散段扩散角越小时,反射激波强度越大.高强度的反射激波会将爆震波分为3段,在分界点处产生高温、高压点,对爆震波的衍射传播起到支持作用.      

吸气式脉冲爆震发动机壁温试验

为了探索各频率下管壁温度随时间的变化趋势及爆震管外壁面的温度分布规律,对爆震室内径68mm,长2 000mm,以汽油为燃料、空气为氧化剂的吸气式脉冲爆震发动机进行试验,用热成像仪对稳定工作在10Hz,20Hz,40Hz下的管壁温度进行了监测。结果表明:同一频率下随时间的增加壁面温度增加速度减小;热平衡时壁面温度随频率的增加而增长,10Hz,20Hz,40Hz热平衡时外壁面最高温度分别在726℃,1011.5℃,1159.5℃以上;热平衡前管壁温度的增长速度随频率的增加而增加,管壁温度的增长速度跟频率约成正比;爆震室上沿着压缩波叠加至形成爆震的方向,温度在外壁面上递增分布,在爆震形成区温度最高,从爆震形成区到发动机出口处,温度在外壁面上逐渐降低;各频率下最高温度区位置基本不变,距点火位置1 350mm左右;同一轴向位置上的外壁面温度随频率的增加而增加,温度的增长幅度随频率的增加而减小。     

爆震波点火器管路传播过程数值模拟

为了进一步研究液体火箭发动机爆震波点火器的工作过程，结合实际试验发动机用爆震波点火器的工作条件，在混合比为3，初始氢氧混气压力为0．1MPa情况下，采用常用的两步显式MacCormak差分格式和有限速率化学反应动力模型，对爆震波点火器管路中爆震波的传播过程进行了数值模拟，研究了爆震波形成后在一维管路中传播特性及性能参数。从数值模拟结果来看，稳定传播的爆震波温度可达3500K，压力达到2MPa，其传播速度可达3430m／s，从爆震波形成到其传播到2m距离的出口，用时不到0．6ms。并与试验结果进行了对比分析，数值模拟结果和试验结果符合很好，为爆震波点火器的工程设计提供了理论依据。     

气相爆轰波马赫反射非自相似性特征的实验

为了研究在CJ(Chapman-Jouguet)状态下气相爆轰波马赫反射的非自相似性特征,搭建了由驱动段、传播段以及观测段组成的矩形管道;利用纹影和烟膜实验方法分别对3种预混气发生马赫反射现象进行了实验研究.实验结果表明:对稳态或非稳态气体,测量了马赫反射三波点位置高度,验证了马赫反射三波点轨迹线为波动的曲线,即自相似性对爆轰波马赫反射失效;非自相似性的重要特征是三波点轨迹线在楔角初始位置时基本遵循无反应冲击波理论计算结果,随后逐渐偏离并向有反应冲击波转变,之后接近平行于反应冲击波理论计算并稳定地处于两个理论值之间.最后给出在初始压力为10kPa和楔角为30°的条件下,对于所研究的3种气体,其马赫反射三波点发生转变的位置高度分别约为0.8,1.05cm以及0.5cm,可见相同初始条件下非稳态气体的马赫反射发生转变比稳态气体提前.      

吸气式脉冲爆震发动机原理性试验研究

设计了内径分别为60、70mm的两组吸气式两相脉冲爆震发动机,在略高于常压状态下成功进行了以汽油为燃料、以空气为氧化剂的吸气式两相脉冲爆震发动机原理性试验。进气道内采用无阀的进气结构,试验中在爆震管内部安装Shchelkin螺旋来促进爆震波的生成,所测量的爆震波接近充分发展的C—J爆震波。内径60、70mm的发动机最高工作频率分别为15、20Hz。进气道内压强变化幅度在0．1MPa左右,说明所设计的进气道与爆震管匹配良好,这将为脉冲爆震发动机用于工程实际提供技术储备。     

脉冲爆震发动机爆震管壁换热及冷却的实验

利用Pt100热电阻对脉冲爆震发动机(PDE)在有、无水冷状态下爆震管壁沿轴向的温度分布进行了实验研究.实验结果发现爆震管同一轴向位置处,爆震外管壁温度随爆震频率的增加而增加.同一爆震频率时,距推力壁位置越远,爆震外管壁温度相对越高.向爆震管换热系统中通入冷却水之后,爆震外管壁温度有明显的降低,并且爆震外管壁温度梯度也有一定的下降,20Hz时加水冷之后,PDE工作16s时,爆震外管壁温度最高可降低106.5℃.      

脉冲爆震燃烧室管壁冲击冷却效果的数值研究

根据实验测量的脉冲爆震燃烧室壁温沿程分布,推算出符合脉冲爆震燃烧室特定频率下的准稳态热流阶梯分布;在此基础上,针对叉排阵列射流冲击冷却的脉冲爆震燃烧室壁面温度分布进行了数值计算.研究表明,由于冷却气流通道端壁效应的影响,靠近爆震燃烧室尾部的射流孔的冲击射流速度较大,热流最大的燃烧室尾部管壁的温度可以得到有效的降低,而燃烧室中部的射流由于受到前排射流形成的横流影响,对管壁的冲击冷却效果较弱,使得壁面温度的峰值向中部转移.在相同的环形冷却通道进口雷诺数下,阵列射流孔宜布置在脉冲爆震燃烧室中部,射流冲击间距比Z_n/d=1.5时,管壁的峰值温度最低而且整体的平均温度最小,较小的冲击孔直径对应的冲击冷却效果较好.      

预混气爆震波在不同直径管间的传播特性

在管径20mm与60mm的两管间研究了预混气爆震波的传播特性,着重测量了爆震波传递过程中的压力与速度变化,并分析了预混气压力、浓度、当量比以及连接段尺寸等参数对爆震波传播的影响与规律。研究发现:小管中没有爆震时大管中仍然可以出现爆震波,小张角的连接段对爆震波的再触发有利,再触发后的爆震波其压力、速度受到预混气压力、浓度及当量比等参数的影响。      

煤油/空气三管气动阀式脉冲爆震发动机

 在煤油/空气单管气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)研究基础上,建立了煤油/空气三管气动阀式PDE实验系统。在进气加温的条件下,以煤油为燃料,低污染空气为氧化剂,在内径为100 mm、长为2 000 mm的3个爆震管组成的三管气动阀式PDE中进行了多循环爆震实验,成功实现总工作频率30 Hz情况下,保证三管正常时序工作,在每个爆震管中均获得稳定发展的Chapman Jouguet(CJ)爆震波,研究了共用进气道对爆震室充填混气的影响和不同工作频率下三管气动阀式PDE的爆震波压力特性。研究结果为进一步研究多管PDE提供了基础,为探索脉冲爆震 涡扇组合发动机(PDTE)的可行性提供了初步的理论依据。     

液态碳氢燃料旋转爆震发动机起爆过程试验研究

为了分析液态碳氢燃料/纯净空气旋转爆震发动机从点火到旋转爆震波稳定传播过程的影响因素,采用预爆震管点火进行了相关试验研究。获得了预爆震波压力、燃烧室油气比、来流总温、点火器安装方式等对旋转爆震发动机起爆过程的影响。试验结果表明：旋转爆震波起爆时间随着预爆震波压力升高而缩短;来流总温740K,变化当量比时,越接近当量比1,旋转爆震起爆时间越短;工质为当量混气时,来流总温通过影响燃油的蒸发过程进而影响旋转起爆时间,总温673K以上时,起爆时间约10ms;预爆点火器垂直安装比切向安装更快形成旋转爆震波。