CH 4 /O 2 /N 2 激光点火激波特性与火核形态研究
发布时间：2021-03-01 05:41
本文在定容燃烧弹上开展了甲烷/氧气/氮气激光诱导等离子体点火实验,研究了压力、氧含量、当量比、激光能量对激波发展过程特性和火核形态的影响。研究表明,激波半径随时间几乎呈线性增长,速度先减小后趋于稳定。改变初始压力、氧含量和激光能量可以改变火核形态,随着初始压力的升高、氧含量的增大、激光能量的提高,典型的三瓣式和环状结构火核消失,形成"尾部"结构并逐渐发展成椭球状。基于泰勒爆炸模型得到的经验关系式能够与实验数据较好地拟合。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１实验装置图??Ｆｉｇ．?１?Ｔｈｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｅｔｕｐ??
２８６４??工程热物理学报??４１卷??点火每次形成的等离子体区域的体积和位置不是固??定不变的，相互之间有一定偏差。而激波是等离子??体的快速热释放形成的［６１，其形状和几何中心也随??等离子体变化而变化。所以为方便计算激波的速度，??每次实验得到的激波图片，其几何中心都需要单独??计算．先确定每次实验拍摄的第１张激波图片的几??何中心，其余激波图片几何中心点则与第１张一样，??即每次实验所拍摄的一组激波图片的几何中心是固??定的。如图２所示，作出水平和竖直方向的激波切??垂线的交点，即图中和方向交点，将其确??定为激波的几何中心点。??图２?ＣＨ４／０２激光点火形成的激波??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｓｈｏｃｋ?ｗａｖｅ?ｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｂｙ?ｌａｓｅｒ?ｉｇｎｉｔｉｏｎ?ｏｆ??ＣＨ４?／?Ｏ２?ｍｉｘｔｕｒｅ??由于高速摄像机画幅限制，所得和方??向的激波图片张数较少．通过比较甲烷／氧气在初始??压力０．２５?ＭＰａ下激波四个方向的半径和速度，发现??Ｘ－、Ｘ＋、和方向激波的半径和速度基本相??同，故这里主要研究方向激波的半径和速??度变化。激波半径可通过测量激波边界到中心点的??距离得到，激波速度可根据激波半径和帧速通过式??⑴计算得到。??ｖｘ－?＝?ｄＸ￣／ｄｔ?⑴??Ｖｘ＋?＝?ｄｘ＋／ｄｔ??１．３数值模拟??泰勒经典爆炸波理论假设能童瞬间转移到一个??无穷小的体积［力。当能量开始向外传递时，爆炸波??半径与时间的依赖关系为＃＋４?［５１。随着爆炸波峰前??的压力比（波峰的压力与初始压力的比）下降到一??定值，初始压力对爆炸波传播的影响不可忽略，此??时认为泰勒模型不再适用。利
ｔＯＡ??式中，￡为等离子体中沉积的激光能量；屄为激光脉??冲入射能量；％为当地声速；ｉ？为普适气体常数；７??为介质比热比；％为初始温度；Ｐｏ为介质密度；ｒｘ??为激波半径。??２实验结果与分析??激波作为强扰动波，其传播速度超过当地声速，??激波前后介质的压力、温度和密度会发生突变。激??光聚焦点处的能量密度极高，经过多光子电离、逆??韧致辐射和雪崩电离等过程诱导产生高温等离子体，??高温等离子体的快速热释放产生了激波，同时等离??子体的体积会减校激波随时间的发展变化如图３??所示，相机触发经过７．４叫后拍摄到第一张激波??图片。??图３?ＣＨ４／０２激光点火的激波随时间发展变化图像??（初始温度２９８?Ｋ，初始压力０．２５?ＭＰａ，当Ｍ比１）??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｓｈｏｃｋ?ｗａｖｅ?ｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｂｙ?ｌａｓｅｒ?ｉｇｎｉｔｉｏｎ?ｏｖｅｒ?ｔｉｍｅ?ｏｆ??ＣＨ４／Ｏ２?（ｔｈｅ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?２９８?Ｋ，?ｔｈｅ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ??０．２５?ＭＰａ，?ｔｈｅ?ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｒａｔｉｏ?１）??２．１初始压力的影响??图４给出了当量比为１时ＣＨ４／０２激光点火的??激波半径和速度随初始压力的变化。在Ｘ－和??方向，激波半径均随时间线性增长，激波速度则逐??渐减小，最后趋于稳定。在Ｘ－方向，当初始压力??为０．０８?ＭＰａ?Ｂｆ，激波有最大速度为４６０?ｍ／ｓ。在Ｘ＋??方向，当初始压力为０．０４?ＭＰａ时，激波有最大速度??为５００?ｍ／ｓ。在；Ｃ＋和Ｘ－方向，激波速度均呈现较??大的波动性，特别是当初始压力为０．０４?ＭＰａ和０．０
【参考文献】：
期刊论文
[1]小推力液氧气甲烷火箭发动机的点火特性与燃烧性能（英文）[J]. 张家奇,李清廉,沈赤兵. Journal of Central South University. 2018(03)
[2]固体火箭发动机点火冲击载荷试验[J]. 袁涛,夏静,陆旭峰. 弹箭与制导学报. 2015(04)
本文编号：3057035
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(11)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图１实验装置图??Ｆｉｇ．?１?Ｔｈｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｅｔｕｐ??
２８６４??工程热物理学报??４１卷??点火每次形成的等离子体区域的体积和位置不是固??定不变的，相互之间有一定偏差。而激波是等离子??体的快速热释放形成的［６１，其形状和几何中心也随??等离子体变化而变化。所以为方便计算激波的速度，??每次实验得到的激波图片，其几何中心都需要单独??计算．先确定每次实验拍摄的第１张激波图片的几??何中心，其余激波图片几何中心点则与第１张一样，??即每次实验所拍摄的一组激波图片的几何中心是固??定的。如图２所示，作出水平和竖直方向的激波切??垂线的交点，即图中和方向交点，将其确??定为激波的几何中心点。??图２?ＣＨ４／０２激光点火形成的激波??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｓｈｏｃｋ?ｗａｖｅ?ｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｂｙ?ｌａｓｅｒ?ｉｇｎｉｔｉｏｎ?ｏｆ??ＣＨ４?／?Ｏ２?ｍｉｘｔｕｒｅ??由于高速摄像机画幅限制，所得和方??向的激波图片张数较少．通过比较甲烷／氧气在初始??压力０．２５?ＭＰａ下激波四个方向的半径和速度，发现??Ｘ－、Ｘ＋、和方向激波的半径和速度基本相??同，故这里主要研究方向激波的半径和速??度变化。激波半径可通过测量激波边界到中心点的??距离得到，激波速度可根据激波半径和帧速通过式??⑴计算得到。??ｖｘ－?＝?ｄＸ￣／ｄｔ?⑴??Ｖｘ＋?＝?ｄｘ＋／ｄｔ??１．３数值模拟??泰勒经典爆炸波理论假设能童瞬间转移到一个??无穷小的体积［力。当能量开始向外传递时，爆炸波??半径与时间的依赖关系为＃＋４?［５１。随着爆炸波峰前??的压力比（波峰的压力与初始压力的比）下降到一??定值，初始压力对爆炸波传播的影响不可忽略，此??时认为泰勒模型不再适用。利
ｔＯＡ??式中，￡为等离子体中沉积的激光能量；屄为激光脉??冲入射能量；％为当地声速；ｉ？为普适气体常数；７??为介质比热比；％为初始温度；Ｐｏ为介质密度；ｒｘ??为激波半径。??２实验结果与分析??激波作为强扰动波，其传播速度超过当地声速，??激波前后介质的压力、温度和密度会发生突变。激??光聚焦点处的能量密度极高，经过多光子电离、逆??韧致辐射和雪崩电离等过程诱导产生高温等离子体，??高温等离子体的快速热释放产生了激波，同时等离??子体的体积会减校激波随时间的发展变化如图３??所示，相机触发经过７．４叫后拍摄到第一张激波??图片。??图３?ＣＨ４／０２激光点火的激波随时间发展变化图像??（初始温度２９８?Ｋ，初始压力０．２５?ＭＰａ，当Ｍ比１）??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｓｈｏｃｋ?ｗａｖｅ?ｐｒｏｄｕｃｅｄ?ｂｙ?ｌａｓｅｒ?ｉｇｎｉｔｉｏｎ?ｏｖｅｒ?ｔｉｍｅ?ｏｆ??ＣＨ４／Ｏ２?（ｔｈｅ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?２９８?Ｋ，?ｔｈｅ?ｉｎｉｔｉａｌ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ??０．２５?ＭＰａ，?ｔｈｅ?ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｒａｔｉｏ?１）??２．１初始压力的影响??图４给出了当量比为１时ＣＨ４／０２激光点火的??激波半径和速度随初始压力的变化。在Ｘ－和??方向，激波半径均随时间线性增长，激波速度则逐??渐减小，最后趋于稳定。在Ｘ－方向，当初始压力??为０．０８?ＭＰａ?Ｂｆ，激波有最大速度为４６０?ｍ／ｓ。在Ｘ＋??方向，当初始压力为０．０４?ＭＰａ时，激波有最大速度??为５００?ｍ／ｓ。在；Ｃ＋和Ｘ－方向，激波速度均呈现较??大的波动性，特别是当初始压力为０．０４?ＭＰａ和０．０
【参考文献】：
期刊论文
[1]小推力液氧气甲烷火箭发动机的点火特性与燃烧性能（英文）[J]. 张家奇,李清廉,沈赤兵. Journal of Central South University. 2018(03)
[2]固体火箭发动机点火冲击载荷试验[J]. 袁涛,夏静,陆旭峰. 弹箭与制导学报. 2015(04)
本文编号：3057035
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