爆轰波在多层弯管中传播特性的研究

发布时间：2020-06-29 07:04

【摘要】：爆轰现象的研究在工程上具有重要的实际意义,一方面基于爆轰的发动机具有大推重比、高热效率、低污染等优点,因此在航空航天领域具有广阔的应用背景;另一方面,工业生产中可燃气体爆轰往往会产生巨大的灾难,严重影响人民生命财产安全。本文采用自行设计的多层弯管装置,利用烟膜片和高速摄像机对爆轰波的传播模式及爆轰极限进行了实验研究,获得了爆轰火焰阵面图像、速度演变和胞格结构。通过求解带基元反应的二维欧拉方程对爆轰波在弯管中传播的流场结构进行数值模拟,其中使用5阶精度的WENO格式离散对流项,通过附加半隐的龙格库塔法(ASIRK-2B)对化学反应源产生的刚性问题进行处理。主要结论如下:1.对爆轰波在弯管中三种传播模式对应的初始压力区间进行了实验研究。当管道内径R_i减小时,稳定传播模式的初始压力下限增大。2.对爆轰极限进行了实验研究。引入R_i/λ作为表征爆轰极限的敏感性参数,则C_2H_4+3O_2,CH_4+2O_2以及2H_2+O_2+3Ar三种预混气的爆轰极限的区间范围是2.6≤R_i/λ≤4.8。3.对爆轰波在弯管中稳定传播模式进行研究。爆轰波阵面保持固定曲面形状传播。从直管传播至弯管区域,爆轰线速度发生分化,但角速度ω基本保持不变。胞格尺寸在径向上由内至外逐渐减小,而在周向上基本保持不变。外壁面附近流场的压力、温度、OH及H_2的质量分数均高于内壁面附近。4.对爆轰波在弯管中临界传播模式进行实验研究。爆轰波火焰阵面出现褶皱,爆轰周向速度震荡加剧。5.对爆轰波在弯管中不稳定传播模式进行实验研究。在不稳定传播模式中获得三种周期性爆轰传播现象:(1)内壁面爆轰波局部熄灭现象,此时内壁面附近的胞格结构出现重新生成、衰减、和局部消失的周期性变化特征,并且其周期角度θ_i随着初始压力p_0的增大而减小;(2)全局息爆后又重新起爆的驰振爆轰现象;(3)类似“花瓣”形状的单头爆轰现象,其周期角θ_i随着内壁面半径的增大而减小,并且与预混气初始压力无关。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.2
【图文】：

爆轰,发动机,循环点,扫气

图 1.1 驻定爆轰发动机Fig.1.1 Standing Detonation Engine如图 1.2 所示）工作方式具有周期性与间歇性特点，一个工爆轰、排气以及扫气四个阶段。PDE 可以在静置环境中启动这样无论是实验室研究还是工程应用都较容易实现。但 PD要每个循环点火一次，每次都要损耗较高能量。另外在 PD，做功过程占比较小，这就导致 PDE 存在推力不足的问题。

脉冲爆轰发动机

图 1.1 驻定爆轰发动机Fig.1.1 Standing Detonation EnginePDE（如图 1.2 所示）工作方式具有周期性与间歇性特点，一个工作循环充气、爆轰、排气以及扫气四个阶段。PDE 可以在静置环境中启动，即实启动，这样无论是实验室研究还是工程应用都较容易实现。但 PDE 的这种方式需要每个循环点火一次，每次都要损耗较高能量。另外在 PDE 的一个循环中，做功过程占比较小，这就导致 PDE 存在推力不足的问题。

【参考文献】