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.     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明:展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

受限空间内激波与火焰作用的三维计算

激波与火焰的相互作用常发生在超声速燃烧和燃烧转爆轰过程中,为深入了解这一现象,采用带化学反应的三维Navier-Stokes方程,对平面入射激波及其反射激波与火焰的作用进行了计算研究,其中燃烧过程使用单步反应模型描述。研究结果显示:在受限空间内模拟激波与火焰作用,能更好地符合实验结果,从而体现出受限空间的三维效应;火焰在入射激波的作用下主要经Richtmyer-Meshkov不稳定而发生变形,此时火焰变形以物理作用为主,燃烧膨胀效果相对不明显;当反射激波与变形火焰再次作用后,火焰迅速膨胀变形,放热率维持在较高水平,此时化学反应过程起主要作用;在反射激波的作用下,变形火焰复杂三维涡结构的形成能强化热量与质量的输送,提高燃烧速率。     

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。     

Lorentz力的大小和作用位置对翼型绕流及升力和阻力的影响

分布在弱电介质溶液中的电磁力(Lorentz力),可以有效地控制边界层的流动,且Lorentz力的大小、方向以及作用位置可根据实际需要来调整。在转动水槽中,通过示踪粒子流场显示以及升力和阻力的测试,对Lorentz力对翼型绕流以及升力和阻力的影响进行了实验研究,并利用拟压缩方法数值求解贴体坐标中的控制方程,对实验中的相应问题进行数值研究。基于实验和计算结果,对电磁力控制时的Lorentz力的大小以及作用位置对翼型绕流和升、阻力的影响及其内在原因进行了讨论。     

展向行波状Lorentz力的波数对壁湍流控制的影响

展向行波状Lorentz力可以有效调制湍流近壁流动及减少壁面摩擦阻力。为了解行波波数在壁湍流控制中的影响,并进一步揭示该方法的减阻机理,本文利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟(DNS),对槽道湍流的展向行波状Lorentz力控制和减阻问题进行了研究,讨论了展向波数kz对近壁流动及壁面阻力的影响。结果表明,当展向行波状Lorentz力诱导的流场被用来调制固有的近壁湍流流场时,固有流场和诱导流场同时受到调制。Lorentz力的展向波数对流场调制效果具有显著影响。通过波数的选择,引进新的涡结构,可以调制条带结构的展向间距与强度,影响近壁流体的湍流猝发活动,从而调制壁面摩擦阻力的大小。     

惰性粉尘和抑爆过程的实验研究

在长9m，内径0．14m的燃烧管内进行了CaCO3颗粒其H2－O2混合物中发生爆炸过程的抑制作用的实验研究。该管分为三部分：激波成长段，抑爆段和抑爆后观察段。其中抑爆段装有10套可形成均匀颗粒悬浮流的喷粉系统。实验结果表明，仅当颗粒浓度大于某值时，才可能有效抑制爆炸，否则爆炸波会在抑制后重新成长。笔者还基于两相化学反应流的基本方程，通过分裂方法，全耦合TVD格式和Lax-Wen-droff-Rubin格式对粉尘抑爆现象进行了数值模拟，计划结果反映了惰性颗粒作用下激波的变化过程，其结果与实验结果一致。     

环形火焰引发爆震的数值研究

采用改进的适于多组分反应流的波传播算法,对直管道中甲烷．空气预混气的爆震引发过程进行数值研究,考虑了两种不同构型的初始环形火焰对引发爆震的影响。对这两种构型下爆震引发过程中的压力场、温度场、反应放热率以及组分浓度进行了计算,由此探讨了“热点”形成机制及其对爆震引发的作用。结果表明,火焰发展产生的燃烧压缩波在管壁或管轴心发生汇聚、碰撞所形成的复杂波系与火焰相互作用,导致火焰前锋与压缩波之间的局部区域反应剧烈,反应放热率明显增加,从而促使热点形成。形成的热点迅速放大成为过驱爆震波,并逐渐衰减为稳定爆震波。稳定爆震波阵面参数与CJ理论结果进行了对比,两者符合得较好。     

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。     

气云爆轰

气云爆轰实验研究在一根专门设计的管中进行，通过对压力和火焰阵面的测试，研究激波的成长与发展过程，气云爆轰的爆速及其影响因素以及激波扣的点火诱导时间。理论研究考虑了液滴在高温，高压和高速气流中的变形，剥离和破碎，液滴的点火和局部爆炸以及气云爆轰的Ｃ－Ｊ判据。