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用于推进系统中爆轰波的精细结构以及稳定性研究

潘振华  
【摘要】:爆轰推进的技术关键是使爆轰波驻留在燃烧室内。依据其存在方式,燃烧室内的爆轰波分为:驻定斜爆轰、旋转爆轰和脉冲爆轰。这些爆轰的精细结构和自持机理不同于以CJ理论为基础的经典爆轰。 本文通过数值模拟,分别描述了存在于上述三种燃烧室内的爆轰流场和胞格,并对各自的结构特征和自持机理进行了分析。数值计算基于带化学反应的二维Euler方程,采用9组元和48个可逆化学反应的基元反应模型,利用五阶精度的WENO格式对对流项进行离散,通过附加半隐的龙格库塔法对控制方程全耦合求解,处理化学反应源项造成的刚性问题。利用自行设计的实验装置,对爆轰波在环形燃烧室内的传播进行了实验研究,获得了爆轰压力和胞格。结果表明: (1)对于尖劈面诱导的爆轰,数值计算表明:斜爆轰波阵面由斜激波和斜爆轰波组成。在尖劈的压缩作用下,斜爆轰波又可分成三个区域,分别为:类ZND爆轰模型的结构,单三波点结构和双三波点结构。上述第一种结构阵面光滑,后两种结构阵面较复杂。在单三波点结构中,由于阵面上周期性重复出现的单边三波点的定向传播,使爆轰阵面上各点的流场特性体现时间上的周期振荡,所有的三波点几乎以同样的速度向下游运动,其运动轨迹线为平行直线;在双三波点结构中,由于面向下游传播的三波点的传播速度明显大于面向上游的三波点,之间发生相互碰撞,爆轰阵面同时发生时空两方面的周期变化,其运行轨迹构成了类似“鱼鳞”状的胞格结构。如移除来流在斜爆轰波切向的分速度,得到斜爆轰法向的胞格结构,其横波间距小于正爆轰胞格的横波间距,这是由于斜爆轰波中横波是爆轰波,而正爆轰波中横波是激波。 (2)本文在全充满H2/O2/Ar预混气体的圆环内,对爆轰波的传播特性进行了数值模拟和实验研究,结果表明:由于圆环外壁为收敛壁面,内壁为发散壁面,这将导致外侧爆轰的强度高于内侧爆轰的强度,使得爆轰波波阵面可以以稳定的角速度绕轴旋转。另一方面,由于外壁面的压缩效应,使得爆轰波在外壁面上形成过驱爆轰。内壁面在外侧过驱爆轰的带动下,激波在内壁面发生马赫反射,进而导致局部爆炸,使爆轰再生。旋转爆轰的这一特性,使得外壁面上的胞格尺寸小于内壁面。 在部分充满圆环内,爆轰波、透射激波和马赫干三者组成了爆轰-激波复合波系。对于02/Ar和(?)H2/O2/Ar充填之比大于临界值时,爆轰波熄灭。当可燃气体在内壁面上缺失时,爆轰波在圆环中稳定传播的临界值为:O2/Ar:H2/O2/Ar=12:18;当可燃气体在外壁面上缺失时,爆轰波在圆环中稳定传播的临界值为:O2/Ar:H2/O2/Ar=9:21。 (3)T型管中,研究了爆轰波的传播过程,涉及到自持、衍射、反射以及二次起爆等现象。在静止系统中,左右爆轰流场是关于垂直爆轰管轴对称的。进入水平管的爆轰波左右两侧发生衍射,导致爆轰波熄灭。诱导激波与上壁面碰撞反射诱导左右两侧爆轰波重新起爆,其机理为“反射诱导起爆机理”。在流动系统中,受从左至右高速来流的影响,爆轰流场向右侧偏移,并且两侧爆轰波的二次起爆机理不同。在右侧,诱导激波经上壁面反射,发生二次起爆,其机理为“反射诱导起爆机理”;在左侧,诱导激波阵面上的三波点诱导高温高压预混气体发生局部爆炸,爆轰波二次起爆,其机理为“爆轰波自起爆机理”。爆轰波在T型管内传播后留下的胞格轨迹可分为六个区域,分别为:爆轰自持区、未受扰动区、爆轰死区、反射诱导区、爆轰发展区和爆轰稳定区。流动系统中的右侧稳定区内胞格长度最长,左侧稳定区内最短,静止系统稳定区内胞格介于两者之间,但是三者的宽度是一致的。


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