Focus Reflective Shock Wave Interaction with Flame

An experiment on deformation of flame under the effect of focusing shock wave reflection is performed with the help of multiple-spark camera to understand the flame instability of the deformation process. Methane and oxygen are mixed stoichiometrically to be used in the experiment. Based on Navier-Strokes equations, two-dimen- sional axisymmetric elementary reactions are numerically simulated. And the simulation results are solved by opti- cal calculation. Shaded pictures by simulation fit well with experimental photos. Focusing reflecton shock waves can affect the flame, which accelerates the deformation of flame and renders violent burning in high-energy flam- mable gases behind waves. Therefore anticlockwise whirlpool appears. It clusters around the external surface of flame and has a tendency to develop toward the right. Finally, the whirlpool focuses on the right side of the flame, which involves the fresh unfired gases into the whirlpool circle, and consequently the head of mushroom cloud is formed. Meanwhile, when shock wave passes through the flame, the intensity of the shock waves on the axis is strengthened.     

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。     

聚心火焰与诱导激波相互作用及爆燃转爆轰过程

基于带化学反应的二维轴对称Eu ler方程,利用带限制函数的波传播算法,在两端均敞开和一端封闭一端敞开的两种边界情况下,对圆柱型燃烧室中的氢气-空气预混气的聚心燃烧进行了数值模拟,探讨了聚心火焰引发爆轰过程中的波系结构以及火焰的变形。数值结果表明,在两端均敞开的情况下,燃烧诱导的激波在轴心、火焰和壁面之间来回反射,使火焰失稳,加速了火焰的燃烧,但没有转变成爆轰。而在一端封闭的情况下,封闭端反射产生的激波,不断穿越火焰,使火焰严重失稳,加剧了燃烧速度,最终导致爆轰的形成。稳定爆轰阵面的参数与CJ理论计算的结果进行了对比,两者符合的较好。同时,火焰在与激波的作用过程中,形状扭曲变形,对于两端敞开的情况呈对称的扁平头部蘑菇云,而对于一端封闭的情况,则呈封闭端小敞口端大的扁平头部蘑菇云。     

单循环脉冲爆轰发动机内外流场的动力学结构

对脉冲爆轰发动机由高温火团引发的甲烷-空气混合气体爆轰过程和管内、外轴对称流场分布进行数值模拟,考虑了CH4-O2-N2的19个基元反应和14种组份。计算结果反映了爆轰管出口端附近区域的激波衍射,涡环及复杂的涡与激波相互作用情况等,描绘了管内、外流场的动力学结构。     

脉冲爆震发动机外流场数值模拟及实验

通过实验和数值方法,对脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,PDE)外流场进行了可视化研究。实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆震外流场的时序阴影照片。对高温火团引发的氢气-氧气-氮气爆震过程和管内、外流场分布进行轴对称数值模拟,其中考虑了包含19个基元反应和9种组份的H2-O2-N2详细化学反应动力学机理。根据计算结果,由计算光学获得爆震外流场的时序计算阴影图。数值计算结果和实验结果基本一致,均形象地描述了管外流场的变化。根据实验和数值计算结果,详细地讨论了涡环和悬吊激波产生的动力学机理及其发展变化过程。     

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。     

与爆轰相关的湍流燃烧

爆轰具有较高的燃烧效率,当应用于推进系统时,有较宽广的前景,故引起国内外学者广泛的关注。与爆轰有关的两个重要现象是——爆轰的生成和传播。爆轰的生成分为直接起爆和间接起爆。直接起爆需要极高的能量,因此间接起爆一直是研究的热点,其中爆燃转爆轰(deflagration-to-detonation transition,DDT)则是关注的重点。然而,经过几十年的实验、理论和数值研究,DDT的机理已被理解,但是准确的预测还无法实现,这其中最核心的因素是湍流燃烧。对于爆轰波的传播,特别是高活化能的可燃气体,其波阵面呈强不稳定结构,存在湍流燃烧,波后出现的未燃气团的燃烧也属于湍流燃烧,这使得爆轰波的精确控制也存在较大的困难,但是爆轰波传播的平均速度仍然可以用CJ速度来预测。本文对DDT和爆轰波结构中的湍流燃烧的研究现状进行了分析和评述,并对未来的研究进行了展望。     

甲烷/空气中对撞射流火焰的实验和数值研究

以甲烷/空气为研究对象,利用YA-16多闪光高速照相机对碰撞射流火焰进行了实验研究。基于带化学反应的二维轴对称Navier-Stokes方程,采用带有Superbee限制函数的波传播算法,对该现象进行了数值模拟。结果表明,对撞前,由于Helmhotz不稳定的作用,射流火焰演变成带有涡环的蘑菇云。碰撞后,在其诱导的流场和涡的作用下,形成的火焰杆的直径基本没有变化,火焰盘则沿着碰撞平面往四周发展,而其厚度逐渐变薄。计算结果和实验照片进行了比较,两者符合得较好。     

尖劈诱导的斜爆轰波的精细结构及其影响因素

为了揭示斜爆轰的精细结构及其影响因素,基于带化学反应的Euler方程,利用五阶WENO格式,对尖劈诱导的斜爆轰进行了数值模拟。结果表明,在劈面的压缩下,斜爆轰波阵面被分为三种结构,依次是类ZND结构、单三波点阵面结构和双三波点阵面结构。同时,根据三波点的轨迹绘制了胞格结构,其中单三波点的轨迹为平行直线,而双三波点的轨迹为倾斜的蜂窝状结构。讨论了来流马赫数和尖劈角度对劈面压缩性的影响,随着马赫数和劈角的增加,尖劈的压缩更厉害,爆轰波阵面也就越光滑。     

脉冲爆轰发动机第一和第二次循环的数值模拟

对脉冲爆轰发动机两次循环工作过程进行轴对称数值模拟,考虑了包含19个基元反应和9种组份的H2-O2-N2详细化学反应动力学机理,通过改进的ISAT方法(动态自适应建表)减少反应化学的计算时间.数值结果显示了脉冲爆轰发动机充气,起爆,卸压和再充气的循环工作过程.根据数值计算结果,详细地讨论了两次循环管内、外流场的结构间的差异.两次循环中管内、外流场结构的差异又导致二者推力和冲量的不同.