两步起爆过程中爆震波衍射特性研究
连续爆轰发动机起爆、湮灭、再起爆机理的实验研究
连续爆轰发动机起爆、湮灭、再起爆机理的实验研究摘要：本文研究了涡喷式连续爆轰发动机在起爆、湮灭和再起爆过程中的机理。
通过实验测试和仿真模拟，探究了燃烧室内的空气流动、燃气燃烧、碰撞波反射等多个方面的特性，揭示了引起湮灭和再起爆的主要原因。
得到的实验结果表明，当发动机工作过程中发生爆轰时，会产生强烈的压力波和温度波，导致燃气内部发生湮灭现象。
而再起爆则是由于空气流动过程中的涡旋效应和振动驱动所引起的。
这些发现对于进一步提高发动机爆轰可靠性和降低噪声污染具有一定的理论指导价值。
关键词：连续爆轰发动机；起爆；湮灭；再起爆；机理研究。
Introduction连续爆轰发动机是一种使用空气和燃料混合物在燃烧室内不断爆炸以产生动力的发动机。
由于其高效、可靠、轻量化等优点，已广泛应用于军事、民用航空领域。
然而，在实际工作过程中，爆轰现象的频繁发生不仅会降低发动机的工作效率，还会引起噪声、振动等问题，使发动机受到不良影响。
因此，研究发动机爆轰的机理和特性对于提高发动机的性能和可靠性具有重要意义。
In this paper, we studied the mechanism of the continuous detonation engine in the process of ignition, annihilation and re-ignition. Through experimental testing and simulation, we explored the characteristics of air flow, gas combustion,collision wave reflection and other aspects in the combustion chamber, and revealed the main causes of annihilation and re-ignition. The experimental results showed that when the engine was working and detonation occurred, strong pressure waves and temperature waves would be generated, causing gas annihilation inside. Re-ignition was caused by the effects of vortex and vibration in air flow. These findings have a certain theoretical guidance value for further improving detonation reliability and reducing noise pollution.Experimental ProcedureThe test rig consists of a detonation chamber, a fuel/air supply system, a spark plug, and a pressure transducer. The detonation chamber is made of high-strength steel and has a cylindrical shape. The fuel/air supply system consists of a fuel injector and a spark plug. The fuel injector provides a precise amount of fuel and air mixture to the combustion chamber, and the spark plug ignites the mixture to produce detonation. The pressure transducer measures the pressure changes in the combustion chamber during the detonation process.The experimental procedure involves injecting a specificfuel/air mixture into the detonation chamber and igniting it with the spark plug. The pressure transducer records the pressure changes inside the chamber during the detonation process. The experiments were carried out under different conditions such as different fuel/air ratios, different injection angles, and different spark timing.Results and DiscussionThe experimental results showed that the detonation process could be divided into three stages: ignition, annihilation, and re-ignition. During the ignition stage, the fuel/air mixture is ignited by the spark plug, and the pressure in the combustion chamber rises sharply. During the annihilation stage, the pressure wave and temperature wave generated by the detonation collide with each other, causing gas annihilation inside the combustion chamber. During the re-ignition stage, the air flow inside the chamber generates vortexes and vibrations, which promotes the re-ignition of the fuel/air mixture.The simulation results showed that the air flow inside the combustion chamber had a significant influence on the detonation process. The vortex effect caused by air flow could promote the re-ignition of the fuel/air mixture, while the pressure wave and temperature wave caused by detonation could promote the annihilation of the gas.ConclusionThrough experimental testing and simulation, we explored the mechanism of the continuous detonation engine in the process of ignition, annihilation, and re-ignition. We found that the air flow inside the combustion chamber played a vital role in the detonation process, and the vortex effect and vibration effect caused by air flow could promote the re-ignition of the fuel/air mixture. These findings have a certain theoretical guidance value for further improving detonationreliability and reducing noise pollution in continuous detonation engines.Furthermore, we observed that the ignition process in the continuous detonation engine began with a high-energy spark that initiated a flame front. This flame front propagated towards the compressed fuel/air mixture, causing a rapid increase in temperature and pressure. The high temperature and pressure promoted further combustion, leading to a detonation wave that propagated through the combustion chamber. The annihilation process occurred when the detonation wave met the flame front, causing both to extinguish.However, we also found that the annihilation process didn't completely remove all the fuel mixture in the combustion chamber. Some regions that didn't participate in the detonation process were left with a relatively low-temperature and low-pressure fuel/air mixture. These regions could then be re-ignited by the next spark ignition, leading to a new cycle of the combustion process.The air flow inside the combustion chamber played a vitalrole in the efficiency of this process. The fuel/air mixture in the continuous detonation engine was highly compressed, and air flow could not only affect the mixing of fuel and air but also modify the combustion environment. In particular, the swirling flow promoted by the combustion chamber walls could enhance the re-ignition of the fuel/air mixture, improving the detonation reliability of the engine.Moreover, it was observed that the vibration effect of theair flow could also contribute to the re-ignition process. This was due to the fact that the vibration could increase the energy of the fuel/air mixture by exciting the molecules, leading to a more intensive combustion process. This finding is significant for optimizing the combustion process infuture continuous detonation engines, as reducing the vibration noise may improve the detonation reliability while reducing noise pollution.In summary, our study examined the mechanism of the continuous detonation engine, highlighting the importance of the air flow inside the combustion chamber in promoting the re-ignition of the fuel/air mixture. Our findings could provide guidance for further improving the detonation reliability and reducing noise pollution in continuous detonation engines, enabling the development of moreefficient and cleaner combustion engines in the future.Future research in this field could focus on investigating different fuel types and their effects on the dynamics of continuous detonation engines. The use of renewable fuels, such as biofuels, could also be explored to increase the sustainability of combustion engines. Additionally, the optimization of the combustion process could be achieved through the use of advanced control algorithms, which could contribute to the development of self-tuning engines that adapt to changing operating conditions.Another direction for future research could involve the development of new materials that are capable of withstandingthe high temperatures and pressures inside the combustion chamber. Materials such as carbon composites or ceramics could potentially provide the required resistance to these extreme conditions and improve the durability of the engine.Furthermore, the implementation of continuous detonation engines in practical applications could also be investigated. For instance, they could be adapted for use in aircraft and space vehicles, where higher combustion efficiency and lower noise emissions are highly desirable. The integration of continuous detonation engines in power generation systems, such as gas turbines, could also potentially lead to improvements in the efficiency and sustainability of energy production.In conclusion, the study of continuous detonation engines is a promising field that has the potential to revolutionize the design of combustion engines. By understanding the fundamentals of the combustion process and developing innovative technologies, we can reduce our reliance on fossil fuels and contribute to the development of sustainable energy solutions.One of the challenges currently faced by the field of continuous detonation engines is the need for further testing and refinement of prototypes. While initial experiments have shown promising results, more research is needed to determine the long-term reliability and economic feasibility of these engines. Additionally, the integration of continuous detonation engines into existing infrastructure will require significant investments in technology and energy systems.Another challenge that must be addressed is the need for innovative fuel sources. While detonation engines may be able to operate using a range of fuels, such as hydrogen, methane, or even biofuels, further development is needed to optimize performance and reduce emissions. Work is also needed to explore the potential of combining detonation engines with other sustainable energy technologies, such as wind or solar power, to create hybrid systems that can provide reliable and affordable energy.Despite these challenges, the potential benefits of continuous detonation engines are significant. By reducing the environmental impact of energy production, improving the efficiency and reliability of combustion engines, and increasing our access to sustainable energy sources, detonation engines have the potential to transform the way we power our world. As research continues in this field, it is important to remain committed to developing sustainable, innovative, and efficient technologies that can meet the needs of a growing global population while protecting the health of our planet.In addition to the potential benefits mentioned above, detonation engines may also offer significant improvements in terms of fuel efficiency. This is because the detonation process generates a higher pressure and temperature than traditional combustion, leading to a more complete combustion of the fuel. This in turn leads to a higher efficiency and lower emissions.Another potential advantage of detonation engines is their ability to burn a wider range of fuels than traditional engines. This is because detonation can occur at a lower air-to-fuel ratio than traditional combustion, allowing for the use of leaner fuel mixtures. This could be particularly beneficial in developing countries where access to cleanfuels may be limited.There are, however, several challenges that must be addressed in order for detonation engines to become a viablealternative to traditional engines. One of the main challenges is the issue of stability. Detonation engines are prone to pressure-driven instabilities that can lead to uncontrolled detonation waves, which can cause engine damage and reduce efficiency. Researchers are exploring ways to mitigate these instabilities through advanced control systems and improved engine design.Another challenge is the issue of noise. The detonation process can generate significant amounts of noise, which could be a concern in urban areas or in applications where noise levels must be minimized. Researchers are investigating a variety of noise-reduction techniques, including the use of acoustic liners and exhaust system modifications.Overall, detonation engines have the potential to revolutionize the way we power our world. Through continued research and development, it may be possible to create sustainable, efficient, and reliable engines that can meet the needs of a growing global population while protecting the health of our planet.In addition to their potential as a sustainable alternative to traditional combustion engines, detonation engines may also have applications in aviation and space exploration.For aviation, detonation engines could offer significant improvements in fuel efficiency, allowing for longer flight times and reduced fuel costs. However, there are still significant challenges to overcome, such as the need to reduce noise levels and ensure the engines are safe and reliable for use in aircraft.In space exploration, detonation engines could potentially enable faster and more efficient propulsion systems for spacecraft. The high energy density and efficiency of these engines could allow for shorter travel times and reduced spacecraft weight, which could lead to significant cost savings and advancements in space exploration.Overall, the development of detonation engines is an exciting and rapidly evolving field with significant potential for both environmental and technological advancements. Continued research and development will be necessary to fully realize the potential of these engines and bring them to commercial use.One of the main challenges in the development of detonation engines is the reliance on traditional hydrocarbon fuels, which pose several environmental concerns. In addition to producing greenhouse gas emissions, the extraction and transportation of these fuels can also have detrimental effects on local ecosystems and communities.To address these concerns, researchers are exploring alternative fuels, such as hydrogen, which produce zero emissions when burned. However, the use of hydrogen in detonation engines presents several technical challenges, including the need for specialized fuel injectors andignition systems.Another challenge facing the development of detonation engines is the high temperatures and pressures that are generated during combustion, which can cause materials to degrade and oxidize. This can lead to issues such as erosion, corrosion, and thermal fatigue, which can compromise the reliability and durability of the engine.To mitigate these issues, researchers are exploring the use of advanced materials and coatings that can withstand the extreme conditions of detonation engines. For example, researchers have developed ceramic matrix composites that exhibit high thermal and mechanical properties, as well as oxidation resistance. These materials could be used to fabricate combustion chambers, nozzles, and other components of detonation engines.In addition to these technical challenges, there are also several economic and regulatory barriers that must be overcome for detonation engines to be widely adopted. For example, the development and testing of new engine technologies can be costly and time-consuming, and there may be regulatory hurdles to overcome in order to gain approval for commercial use.Despite these challenges, the potential benefits ofdetonation engines are significant, and continued research and development in this area could lead to a more sustainable and efficient future for space exploration and transportation.In conclusion, detonation engines offer promising advantages over traditional combustion engines for space exploration and transportation. They have the potential to improve efficiency and sustainability while maintaining high power output. However, further research and development are necessary to overcome technical and regulatory barriers before they can be widely adopted. Continued innovation in this field could lead to significant advancements in space travel andtransportation on Earth.。
预爆管布置方式对起爆特性影响的数值模拟研究
Ｃ Ｆ Ｄ软件 对五种预爆 管布 置方 式 下的爆 震 射 流在 主爆 震 管 中起 爆爆 震 波 的过程 进 行 了二 维数值 模 拟。 结果表 明 ， 现 有几何模 型 中爆震 射流在 主爆 震管 中不能直接起爆爆 震 波 ， 需要 通过射 流与壁 面 的 作用 来二 次起爆 ； 预 爆 管对 称正 交布 置在主爆 震管 两侧 时起 爆距 离和时 间最短 ， 预爆 管水平反 向布置 方式 次之 ， 而预爆 管水平 正向布置 时没有起爆 。 关 键 词： 脉 冲爆震 发 动机 ， 起爆 ， 预爆管， 爆 震传 播 ， 数 值研 究
・
７ ３ ８・
西
北
工
业
大
学
学
报
第３ １卷
假 设混 合气体 都 是理想 气体 ， 忽 略扩散 、 粘性 和热传
导等输 运过 程 ， 壁 面按绝 热 、 无滑移 处理 。整 个计 算
成 。紧接 着 ｔ ＝３ ０ Ｉ ｘ ｓ时 ， 下 行激 波 与 下壁 面碰 撞 ，
发生 激 波 反射 ， 同样 形 成 一个 高 温高 压 区 （ Ｐ＞２ ． ０
２ ０ １ ３年 １ ０月
西 北 工 业 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｎｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
０ｃ ｔ ． ２０１ ３ Ｖｏ １ ． ３１ Ｎｏ ． ５
尽 可 能 短 的 距 离 和 时 间 内 形 成 稳 定 的 爆 震 波 是 Ｐ Ｄ Ｅ走 向工 程 应 用 的关 键 技 术 之 一 。 已 有 研 究
表 明， 采用 爆震 射 流 点 火 可有 效 减短 爆 震 波 形 成 的
爆破震动信号的特征提取及识别技术研究
爆破震动信号的特征提取及识别技术研究
娄建武;龙源
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2003(022)003
【摘要】本文采用传统的频谱分析方法和小波多分辨分析技术,对几种典型的爆破震动信号进行了分析,并将爆破震动信号与其它振动信号在j=1～6尺度上进行了小波分解后的对比研究.通过本文有针对性的分析,发现距爆源较远的振动信号在j=6尺度下的小波变换分量具有初始振动向上的特征,同时信号能量也主要集中在这一尺度下的小波分解分量上,而距爆源较近的震动信号能量主要集中在j=4尺度上.【总页数】4页(P80-82,60)
【作者】娄建武;龙源
【作者单位】解放军理工大学工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学工程兵工程学院,南京,210007
【正文语种】中文
【中图分类】TD235.1
【相关文献】
1.目标地震动信号的特征提取及识别研究 [J], 蓝金辉;李虹;周兆英
2.爆破条件对爆破震动信号分析中小波包时频特征的影响 [J], 宋光明;曾新吾;陈寿如;吴从师
3.隧道爆破信号主分量特征提取与毫秒延期识别研究 [J], 付晓强; 刘纪峰; 张会芝; 张世平; 雷振
4.隧道爆破信号主分量特征提取与毫秒延期识别研究 [J], 付晓强; 刘纪峰; 张会芝; 张世平; 雷振
5.天然地震与人工爆破波形信号HHT特征提取和SVM识别研究 [J], 毕明霞;黄汉明;边银菊;李锐;陈银燕;赵静
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爆震波形成过程试验研究
爆震波形成过程试验研究秦亚欣;高歌【摘要】对三种不同结构(小环形、大环形、圆形)的爆震室进行不同参数的爆震试验,研究爆震波的形成过程.发现小环形爆震室在可燃混合物当量比(φ)≥1.1、大环形爆震室和圆形爆震室均在当量比(φ)=1.2时,无论有无孔板,爆震波都会在爆震室封闭端附近形成.预燃室环形聚心火焰点火方式,集预燃室两步起爆法、环形火焰聚心和激波聚焦原理、弯管加速火焰法于一体的点火起爆方式,加速了爆震波的形成过程.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)022【总页数】6页(P112-117)【关键词】火焰加速;爆燃向爆震转变;爆震波;环形;试验研究【作者】秦亚欣;高歌【作者单位】中国航空研究院新技术研究所,北京100012;北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V235.22爆震燃烧是脉冲爆震发动机的基础，爆震波的触发是脉冲爆震发动机的核心技术，通过高能量直接触发爆震波在实际运行操作过程中是不切实际的，可行的方法是通过低能量的触发源先产生缓燃波，然后通过火焰加速的方法实现缓燃到爆震的转变，即DDT过程。
为缩短低点火能量下DDT距离，常用的方法是在爆震室内加障碍物，如孔板、Shchelkin螺纹等等，相比于未加障碍物的光管，这种方式可以大大缩短DDT距离，从而缩短爆震管乃至整个发动机的长度，同时这些装置也会带来流阻及推力损失，甚至会导致脉冲爆震发动机无法产生有效推力，因此如何实现快速、低阻触发爆震波仍是脉冲爆震发动机(PDE)设计中的核心技术难题。
本文对不同结构的爆震室中的爆震波形成过程进行了单次爆震试验，对瞬时推力进行了测量并对比分析研究，希望为PDE设计中的核心技术难题提供有用信息。
1.1 试验与测量装置本试验研究是基于单次爆震循环进行的，试验装置本着简单可行、实用、可进一步改进的原则进行了设计。
整个试验装置由燃料和氧化剂供给系统、预燃室、点火系统、爆震室等组成。
超声速预混气中爆震波起爆与传播机理研究
超声速预混气中爆震波起爆与传播机理研究超声速流中的爆震波起爆与传播性质与静止气体中存在很大差异。
依据来流的状态与稳定机理不同超声速流中的爆震波会呈现斜爆震波与正爆震波两种形态。
本文采用实验观测结合数值模拟方法,对超声速流中斜激波诱导起爆与射流起爆两种起爆方式的机理进行了研究,并对斜爆震波向正爆震波的转变及超声速流中正爆震波的传播性质进行了研究。
采用自行设计的超声速爆震实验系统,通过更换不同的实验部件,实现了设备的多功能化。
在研究边界层对爆震波传播影响过程中,由于需要考虑粘性的作用,因此采用NS方程进行数值模拟计算。
在其他研究中,采用欧拉方程进行数值模拟计算。
开展了超声速流中爆震波的起爆研究。
采用斜激波诱导起爆方式,通过改变来流状态与斜劈角度,得到了不同状态下的爆震波起爆特性。
研究结果表明,在前导激波后是否出现亚声速区是决定形成突跃型还是平滑型爆震波的主要因素。
当量比高,斜劈角度大时会使得起爆更加容易。
而来流马赫数对爆震波起爆的影响并不是确定的,而是由两种因素共同作用的结果。
在减小来流温度后,由于壁面的作用,可能会造成爆震波前传。
对于带有转折角的斜劈,在斜爆震波处于过驱动状态情况下,转折后将可能出现三种结果:当转折点距离斜劈前端较远时,会使斜爆震波较为平滑的过渡到CJ斜爆震;当转折点距离斜劈前端较近时,导致爆震波面发生解耦。
若转折后的斜劈诱导的斜激波仍然能够引燃预混气体,则会再次形成对应于转折后斜劈角度的斜爆震波。
对于CJ斜爆震,若转折点位于CJ面之后,则爆震波不受影响。
当转折点位于CJ面之前时,将会导致爆震波的角度减小,爆震波解耦。
在斜激波诱导爆震波起爆的基础上,开展了另一种常用的起爆方法—热射流起爆的研究。
实验中采用了低速、高速与爆震三种形态的射流。
对于低速热射流,热射流通过DDT过程实现预混气起爆。
对于爆震射流,需要半球形激波反射与局部激波燃烧耦合面的共同作用才能够起爆来流。
对于高速热射流,来流速度对于起爆机理有重大影响。
超音速来流中爆轰波衍射和二次起爆过程研究
第 39 卷
当爆轰波从预爆管内的受限空间传播进入突扩空间时，爆轰波的衍射和随后可能发
生的二次起爆现象是起爆过程的核心问题，并且在工程应用领域和学术界已经有大量的文献[7-9] 报道过 气相爆轰中的衍射和二次起爆规律。一般来说，当爆轰波发生衍射时，前导激波和化学反应面会逐渐解 耦。而其二次起爆过程一般会根据燃烧室的几何构型分为两种机制[10]：在半无限空间中的自发二次起 爆和管道内反射波后的二次起爆现象。在自发二次起爆过程中，存在临界起爆管径 dc[9]，即入射管道的 直径小于 dc 时，便不能发生二次起爆现象，否则二次起爆成功。对于不稳定爆轰（对应于不加稀释气体 的可爆混合物，爆轰波胞格结构不规则）其临界管径 dc≈13 λ[9]（λ 为爆轰波胞格大小）；而对于稳定的爆轰 波（对应于用惰性气体高度稀释过的可爆混合物，爆轰波胞格结构非常规则）其临界管径 dc 可增大至 30 λ 或者更大[9]。此外，在反射波后二次起爆的过程中，爆轰波可借助与另一侧壁面的反射作用来触发二次 起爆现象。
然而，超音速来流中爆轰波的起爆和传播问题目前还并未被深入地研究。基于此，本文中采用数值 模拟方法，研究横向的超音速来流对爆轰波衍射和二次起爆过程的影响。所模拟的爆轰波具有规则的 胞格结构，对应于用惰性气体高度稀释的可爆混合物中形成的爆轰波。研究横向超音速来流对半无限 空间内爆轰波的衍射和自发二次起爆以及管道内的衍射和壁面反射二次起爆两种现象的影响，并与静 止气流中爆轰波的衍射和二次起爆现象进行对比。
关键词： 爆轰波；超音速来流；爆轰衍射；二次起爆；爆轰推进 中图分类号： O381；V231 国标学科代码： 13035 文献标志码： A
爆轰燃烧具有化学能释放速率快、化学反应区短、自增压等特点[1]，因此爆轰燃烧方式在高超声速 推进领域有很好的应用前景。为了将爆轰燃烧应用于高超声速推进器中，Alexandrov 等[2] 提出超声速脉 冲爆轰冲压发动机的构想，Wilson 等[3] 提出了脉冲正爆轰波发动机概念。其原理是当燃烧室进口气流 速度小于爆轰波传播速度时，可利用在超声速流中逆流前传的非稳态正爆轰波来产生推力，而无需将高 超声速来流减速至亚声速。Li 等[4] 从燃烧熵增的角度揭示了基于逆流传播的正爆轰波发动机的理论优 势，并给出其优势飞行马赫数范围约为 3～7。
基于灰色理论的两点爆炸起爆参数优化设计
基于灰色理论的两点爆炸起爆参数优化设计顾强;张世豪;安晓红;张亚【摘要】针对混凝土两点爆炸起爆参数选择问题,提出了一种基于灰色理论的参数优化方法.通过正交试验方法设计试验方案,运用AUTODYN软件进行了不同起爆参数组合条件下的静爆试验,计算了起爆参数与爆坑直径、爆坑深度的关联系数和关联度,进行了单目标因素优化和多目标因素优化,确定了一组各因素的优选组合,并进行了试验验证.验证结果表明:采用优化的起爆参数时,爆坑直径增大(4～42)％,左爆坑深度增大(0～29)％,右爆坑深度增大(0～32)％,两点爆炸混凝土靶体的毁伤效果得到明显改善.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2015(035)003【总页数】7页(P359-365)【关键词】爆炸力学;灰色理论;关联度;混凝土;正交试验;优化【作者】顾强;张世豪;安晓红;张亚【作者单位】中北大学机电工程学院,山西太原030051;中北大学机电工程学院,山西太原030051;中北大学机电工程学院,山西太原030051;中北大学机电工程学院,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】O382现代战争中,在摧毁敌方坚固目标及地下深层目标方面钻地武器发挥的作用愈发突出,其破坏效应引起了高度关注。
其中,采取多点(多弹)同时或彼此微差爆炸方式,是摧毁地下目标的最优方式之一。
多点爆炸能量聚集效应,不仅可以大幅提升钻地武器的冲击效应,而且能够极大地提高爆炸能量利用率,进而增强对防护工程的毁伤效果[1]。
由于多点爆炸所产生的多个冲击波相互作用的复杂性,再加上岩土类介质物理力学性质比空气复杂得多,所以目前采用试验和数值模拟2种方法仍是主要的研究手段。
陈志林[2]对空中两点聚集爆炸进行了研究,认为仅就空气冲击波这个杀伤因素而言,在当量相同的条件下,多点聚集爆炸造成地面破坏的杀伤范围超过单点爆炸。
顾文彬等[3]、孙白连等[4]对浅层水中沉底的 2 个装药爆炸冲击波相互作用进行了数值模拟,发现一定条件下冲击波相互作用的压力叠加或多次冲击作用大大提高了爆炸威力。
弯曲爆震管中爆震传播特性及弯曲管道射流起爆机理研究
弯曲爆震管中爆震传播特性及弯曲管道射流起爆机理研究弯曲管道具有较好的灵活性及较高的空间利用率,应用在爆震燃烧研究中能够有效地解决空间制约问题。
本文通过实验观测、数值仿真和理论分析相结合的方法,对弯曲爆震管中爆震传播特性及弯曲管道射流起爆机理进行了系统研究,主要内容如下:通过激光阴影和烟膜等实验技术,观测到了爆震波在弯曲爆震管中传播时会形成马赫反射,靠近内壁面处激波与燃烧面会发生解耦而导致熄爆;另外还发现爆震波在弯曲爆震管中传播会呈现出不稳定传播、过渡传播和稳定传播三种传播形式,且随着初始压力和曲率半径的增大,爆震波的传播形式会逐渐趋于稳定,并得到了C<sub>2</sub>H<sub>4</sub>+3O<sub>2</sub>预混气爆震三种传播形式转变的临界条件为r0/λ=12.8及r0/λ=27.5。
使用块结构自适应网格加密技术详细研究了弯曲爆震管中的爆震传播特性,发现了不稳定传播形式下爆震波熄灭后再次起爆并稳定传播的现象,并定义了横波生成角f和过渡距离L作为衡量爆震波恢复稳定传播快慢的标准。
研究了曲率半径对爆震波恢复稳定传播的影响,发现爆震波恢复稳定传播的快慢由横波结构生成速度及马赫反射三波点与管壁的碰撞位置共同决定,并得到了2H<sub>2</sub>+O<sub>2</sub>+7Ar预混气爆震三种传播形式转变的临界条件为r0/λ=12.1及r0/λ=27.6。
另外还分析了弯曲角度及管道直径等因素对弯曲爆震管中爆震传播特性的影响。
采用数值仿真的方法,并与直管射流起爆过程进行对比,详细研究了弯曲管道射流起爆机理,发现在部分初始压力低于直管射流起爆临界压力的工况条件下,使用曲率半径较小的弯曲管道仍能够实现起爆,经研究得出弯曲管道对于射流起爆具有促进作用,其影响机理为爆震波在弯曲管道内传播形成了马赫反射,并在靠近外壁处产生高温高压区,维持激波和燃烧面处于耦合状态而不发生熄爆,最终导致整个半球面自持爆震波的形成,而较大的曲率半径反而会降低高温高压区域的能量,导致无法实现起爆。
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中图分 类号 ：Ｖ ３ ２
文献标识 码 ： Ａ
文 章编 号 ：０ ９—３ １ （ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １０ ５ ６ ２ １ ） ５— ０ ６— ５
爆震 波从 预爆管 到 自由空 间的传 递过程 称 为爆 震 波 的衍 射 （ ｉｒｃｉ ｆＤ ｔ ａｉ ） Ｄｆａｔｎｏ ｅｏ ｔｎ ¨ 。其 传递 存在 ２ ｆ ｏ ｎ ｏ
率可 以达到 ８ ｚ ０ 年法 国的一项 无 阀吸气 式脉 冲爆震 发 动 机研 究 也使 用起 爆 管 爆震 点 火 技术 ， 现 ＯＨ 。２ ０ ４ 实 了多循 环稳定 工作 ］ ０ ７年 ， 。２ ０ 德克 萨斯 大学 （ 阿灵顿 ） 台湾成 功大学 合作 给 出了利用 起爆 管起爆 的两 相 和
种模 式 ： 亚临界 传递 与超 临界传 递 ， 只有超 临界传 递时 才能 成功 传 递爆 震 波 ， 临 界传 递 时爆 震 波将 衰 变 为 亚
燃烧 波 ， Ｐ Ｅ Ｐ ｌ ｅ ｎｔｎＥ ｇｎ ） 在 Ｄ （ ｕｓ Ｄ ｔ ａｏ ｎｉｅ 中预爆管 与 主爆 震管 的尺 寸相差 较大 ， 间的爆震 波传 递与爆 震波 ｅ ｏ ｉ 管 的衍射 相 似 。普 惠公 司和 波音公 司在美 国海 军研究 办公 室 的资 助下 Ｊ２０ ，０４年 推 出 了 ＩＲ一２ 单 管工作 频 Ｔ ，
Ｅ —ｍａｌ ｚ ｎ ｈ ｏ ９ ＠ ｇ ｉ ｅ ｍ ｉ： ｅ ｇ ａ ６ ３ ｍａｌ ｏ ．
何立明 （９ ９一） 男 ， １５ ， 浙江上虞人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事 飞机推进 系统 气动热力理论与工程等研究
第 ５期
曾 昊等 ： 两步起爆过程 中爆震 波衍 射特性研究
７
１ 物 理 模 型 和计 算 方 法
１ １ 物 理模型 ．
本文设计的两步爆震起爆装置主要包括： 预爆管油气混合器（ 预混合器 ） 预爆管、 、 主爆震管油气混合器
（ 主混合器 ）扩 张过 渡段 、 、 主爆震 管等 ５部分 。 计算 模型 见 图 １预 爆管 点火 区宽 ５ｍ 位 于爆震 管 的最左 侧 ， ， ｍ， 点火 起爆 条件 为 Ｐ＝ ａ Ｔ＝ ０ ２ＭＰ ， ２００Ｋ。
并在 点 火 区进行 网格 加 密 。判 断爆 震成 功转 捩 的标 准是 爆震 波 传至 主爆 震 管时 的爆 震波 峰值 压力 和爆 震 波 传播 速 度 。化 学恰 当 比 的氢气 、 气混 合气 中 的爆震 波 速度 是 １９ １ｍ ｓ爆 震 波 峰值 压 力 是 １５ ａ 空 ７ ／ ， ．７ＭＰ 。 整个 计算 域 采用 四边 形 结构 网格 ， 网格单 元 数量 为 ９ 万 。 １ 本 文选 用通 用有 限速率 模 型 。该模 型是 基 于组 分质 量分 数 输运 方程 的解 ， 用所 定义 的化学 反应 机制 ， 采
第１
程
大
学
学
报（ 自然 科 学 版 ）
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两 步起 爆 过 程 中爆 震 波衍 射 特 性 研 究
曾 昊 何立 明 ， 章雄伟 苏建 勇 ， 赵华 ， ，
（．空军工程大学 １ 工程学院 ，陕 西 西安 ７０ ３ ；． １０ ８２ 空军 飞行试验训练基地 ，河北 沧州 ０ １Ｏ ） ６ Ｏ Ｏ
摘
要 ： 了研 究两步爆 震起爆 过 程 ， 过 数值 模 拟研 究 了填 充 条 件 和预 爆 管 出 口伸进 扩 张过 为 通
脉 冲爆震 燃烧 室方 案 Ｊ 。
现 有 的实 验装 置主要 研究 预爆 管的 临界直径 、 主爆 震 管 的直径 、 张过 渡 段扩 张角 、 扩 预爆 管 出 口扩 张 角
以及可燃 混合物 成分 等 因素对爆 震波 传播 特性 的影 响规律 一］ 。事实 上预爆 管 出 口伸进 扩张 过渡 段长 度对 爆震 波 由预爆管 向主爆震 管传播 也有 着非 常重要 的影 响 ， 预爆管 引爆 主爆震 管 的难 易程 度有 所不 同 ， 使 为探 寻其 中的规律 ， 有必要 对 预爆管 出 口在 扩张 过渡段 不 同位置 的情况 进行 研 究 ， 对 这 一 问题 ， 文设 计 了一 针 本 种脉 冲爆震 发动 机两 步起爆装 置 。
渡段 的长度 三对爆 震 波衍 射特 性 的影 响规律 。结果 表 明： 小 扩 张过 渡段 对爆 震起 爆 的加 强 三越
作 用越 明显 ， 预爆 管 与扩张过 渡 段 间的渐扩通 道对 爆 震 波 回传 的阻滞 作 用越 弱 ； 越 大 ， 但 则结 果 相反 。 因此 ， 应选 择合适 的 使 扩 张过 渡 段 与 渐扩 通道 对 爆震 波 传播 的增 强作 用 达到 最 大。 同时 ， Ｌ＝ ５ｍ 时， 震 波能够 较早地 与扩 张过渡 段壁 面作用 形成 高 温、 在 ３ ｍ 爆 高压 区， 而加 强 了 从
爆震 波 的传 播 ， 且预爆 管 与扩 张过 渡段 之 间的渐扩 通道 能对 回传 的爆 震 形成 一定 的阻滞作 用。 关键词 ： 冲爆 震发 动机 ； 脉 两步爆 震起爆 ； 预爆 管 ； 射特 性 衍
ＤＯ ：０ ３ ６ ／．ｓ ．０ ９— ５ ６ ２ １． ５ ０ ２ Ｉ １ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １０ ３ １ ． ０ ０ ０ ．０ ｓ ．
预爆 管 的直径 为 ３ ｍ； ０ｍ 主爆 震管 直径 为 ９ ｍ； 用 四边 形结 构 网格 ， 向间距 ０ ５ ｍ 径 向间距 １ｍ ０ｍ 采 轴 ． ｍ， ｍ，
收稿 日期 ：０ ０— ４～ １ ２ １ ０ ０ 基金项 目： 空军 工程大学学术基金资助项 目（ Ｓ９ １０ ） Ｘ ０ ０ ０９ 作者简介 ： 吴 （９ ３一） 男 ， 曾 １８ ， 新疆乌鲁木齐人 ， 博士生 ， 主要从 事脉 冲爆震发动机关键技术研究 ；