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。     

螺旋爆轰内部胞格结构实验探索

为研究螺旋爆轰胞格结构,选取预混气C2H2+2.5O2+85%Ar、C2H2+2.5O2+70%Ar与C2H2+5N2O在光滑管中进行爆轰实验,使用烟膜记录管道侧壁与端面胞格结构。编写MATLAB程序处理烟膜记录,比较侧壁横波间距、端面胞格直径平均值,以及相邻端面胞格中心点距离平均值与标准差。其中,侧壁横波间距明显大于管壁附近端面胞格直径平均值。另外,相较于稳定气,不稳定气近管壁与近管轴区域的端面胞格直径差异更大,不同压力下预混气C2H2+5N2O近管壁与近管轴区域的端面胞格直径差异分别为47.91 %、59.64 %、40.42 % 与37.21 %。为进一步探索爆轰波内部结构,使用CH4+2O2在5 mm、15 mm与25 mm宽度的环形管进行实验,对比侧壁及端面烟膜结果可观测到内部螺旋横波旋转方式。相对环管宽度而言,初始压力是胞格尺寸的主要影响参数,而整体上外侧壁胞格尺寸稍大于内侧壁胞格尺寸。     

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。     

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.      

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。     

重整气爆轰增压燃烧特性分析

为了提高燃气轮机的热效率,提出将化学回热技术（CR）与连续旋转爆轰增压燃烧（CRDPC）技术进行有效结合的思路.通过实验研究与数值研究的方法分别考察了不同的甲烷蒸汽重整方案对热回收的影响、重整气的增压燃烧流场特性及燃烧室性能等.结果表明:并列协同催化甲烷蒸汽重整方案具有最佳的重整性能,甲烷转化率和总焓增加率分别达到46.51%和25.28%;重整气组分的差异对爆轰波系流场结构影响较小,但是氢气质量分数的增加可以提高爆轰波传播速度,也会加剧新鲜预混气与上一轮爆轰产物的接触间断处的提前燃烧;在总压相同且重整气与空气以化学当量比进行预混的前提下,重整气中氢气质量分数增加1.1%左右时,预混气入口比质量流量降低约4.5%,但连续旋转爆轰燃烧室增压比降低约6.0%,这主要是接触间断处的提前燃烧造成的.      

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...     

高温区碰并诱导气相爆轰二次起爆的数值研究

针对心形管内气相爆轰二次起爆过程进行了数值研究。采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式求解二维欧拉方程,采用基元反应来描述爆轰化学反应过程。结果表明:气相爆轰在心形管中传播,由于壁面几何结构的作用,爆轰波熄灭后会发生二次起爆。该二次起爆由高温区碰并所诱导,且在管道不同位置诱导了两处二次起爆。爆轰流场中存在未反应气囊、射流、爆轰波马赫反射、激波与火焰作用及其所诱导的不稳定性等现象。计算得到的二次起爆过程胞格结构演变与实验基本一致。     

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。     

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.      

微小型振荡热管的流动可视化实验

利用高速电荷耦合器件(CCD)对管内径分别为2.5,2,1,0.5 mm的振荡热管进行了可视化研究,记录了不同加热功率下热管内工质准静止和大幅振荡随时间交替变化的情况以及管内工质的流型变化情况.实验中观察到了泡状流、塞状流、半环状流、波环状流和环状流等.结果表明管径对管内的流型变化具有明显的作用.随着管径的减小,汽塞在加热段的形成主要由微/小气泡间的聚合发展演变成以单个气泡的膨胀长大为主.另外,管径的减小还使加热段周围容易生成长汽柱,而冷凝段内的汽塞则易于发生变形和断裂.对微细管径的热管来说,毛细波环状流是其重要特征,在冷凝段容易发生毛细波环状流向毛细塞状流的转变.      

燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机影响实验研究

为了研究燃烧室宽度对液态燃料旋转爆轰发动机工作特性的影响,搭建了气液两相旋转爆轰实验系统,以汽油/富氧空气为工质,氢气/氧气预爆轰管作为点火装置,在不同燃烧室宽度下开展了一系列实验研究,分析了爆轰波的起爆过程,以及燃烧室宽度对爆轰波传播特性与发动机推力性能的影响。实验结果表明：点火后,燃烧室内需要经过一个爆燃转爆轰过程才能形成自持传播的爆轰波;爆轰波在不同燃烧室宽度下均以双波对撞模态传播,对应的波速分布在850~1025m/s内,随着当量比增加,波速整体呈增加趋势;当燃烧室宽度减小,波速整体有所降低;不同燃烧室宽度下推力性能存在显著差异,其中燃烧室宽度在16.5mm下,发动机的推力和燃料比冲要明显低于11.5mm和9mm的;随着燃烧室宽度减小,内外壁面边界层在流场中的作用更为突出,降低了发动机推力的稳定性。     

采用改进的CE/SE方法模拟方管中氢氧爆轰波的稳定传播结构

采用改进的时空守恒元/解元（CE/SE）格式和新型二步化学反应模型，对小扰动情况下方管通道中的氢氧气相爆轰传播过程进行了数值模拟，对不同截面尺寸和两种扰动模式下的爆轰波三波线结构进行了详细计算和分析。数值模拟花费了相对较少的计算代价，清晰地得到了方形截面通道中3种相对稳定的爆轰波传播结构，即直角模式、对角模式和螺旋模式。随着截面尺寸的减小，爆轰波胞格图样与波阵面结构随之产生适应性的变形，乃至出现胞格数目的减少和部分三波线的消失；最终，直角模式和对角模式都会转化为顺时针或逆时针的螺旋模式；临界尺寸下，得到了转换过程中新的过渡结构和压力脉冲振幅的变化，并以此初步讨论了直角和对角传播模式的稳定性。     

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。     

煤油/空气两相脉冲爆震发动机探索性试验研究

分别在内径为30mm和50mm的脉冲爆震发动机模型上,以煤油为燃料,以空气为氧化剂,成功地进行了两相爆震试验。试验中尝试了各种促进起爆的方法,获得了充分发展的脉冲爆震波。研究发现,在内径小于混合物胞格尺寸的爆震管内,可以形成充分发展的两相脉冲爆震波。通过采用提高煤油温度及对爆震管壁面加热的方法,对于点火及爆震起爆过程起着十分重要的促进作用。      

连续旋转爆轰发动机冷流场的混合特性研究

连续旋转爆轰发动机（CRDE）中燃料和氧化剂的快速掺混是实现爆轰波成功起爆和稳定传播的重要前提,然而目前国际上关于这方面的研究还相对较少。本文采用大涡模拟（LES）方法,对非预混CRDE中燃料和氧化剂的混合过程及其主要机理开展深入研究。研究结果表明,非预混CRDE流场中存在欠膨胀特征、大尺度涡结构,以及回流区等复杂的流动现象,其中由于Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性产生的大尺度湍流涡结构是促进氢/氧混合的主要机制。此外,本文还考察了氧气喷注位置对非预混CRDE的流场结构和混合特征的影响,发现氧气喷注位置会影响射流剪切层形态、涡尺度,以及回流区分布等,进而影响氢气和氧气射流的混合过程和混合程度。与其他进气位置相比,氧气在靠近内壁面喷注时更有利于氢/氧的快速掺混。     

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。     

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。     

初始压力和狭缝高度对狭缝内起爆距离影响的实验

为获得狭缝内爆轰波起爆距离(DID)的变化规律,分别在宽度为10mm,高度为1.0,2.2,2.9,4.0mm,长度为1220mm的狭缝爆轰管内对不同初始压力下(5~45kPa)化学当量比的乙烯/氧气混气进行单次爆轰性能实验研究.根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置,得到初始压力和狭缝高度对爆轰波起爆距离的影响规律.结果表明:①在初始压力为10~20kPa时,起爆距离随着狭缝高度增加逐渐缩短;②在初始压力为25~40kPa时,起爆狭缝距离随着狭缝高度变大先降低后增加,在初始压力为45kPa时,起爆距离随着狭缝高度增加而变长;③综合初始压力和狭缝高度的影响,初步得到起爆距离随初始压力和狭缝高度等参数变化的量纲归一化经验公式.