高静温超声速预混气爆震起爆与发展过程机理研究

论文摘要

本文从化学反应动力学分析出发,通过理论分析、数值计算及实验手段,系统深入地研究了高静温预混超声速气流中爆震的直接起爆与发展过程及初温对其的影响。采用敏感性分析方法,结合三种反应器所得的实验数据,对几种常用的氢氧详细反应模型进行验证,发现Connaire与Balakrishnam反应模型能在较大的工况范围内得到较合理的结果。建立了基于敏感性分析和准稳态假设的复杂反应模型简化方法,得到了一组适用于氢氧爆震自适应化学数值模拟的反应模型。基于爆震简化理论和ZND模型对爆震参数和结构的分析表明:当来流混合物初温升高时,CJ爆震波传播马赫数与压升比明显下降;由于波后温度略升而压升明显下降,因此来流初温对爆震结构的影响关系复杂。通过分析爆震结构中诱导区长度和放热区组分消耗对反应的敏感性,采用元素跟踪法研究了诱导区与反应区中的关键组分,得到了爆震发展过程中的关键反应和重要组分。采用自适应化学数值方法分别模拟了二维等直管道中爆震的发展过程和斜爆震的起爆及发展过程。研究表明:在等直管道内的爆震发展过程中,横波在爆震三波点的演化和发展过程中起重要作用;来流静温升高导致横波和三波点的强度下降,爆震波面发展趋于一维平面波结构,并使得自持爆震发展过程中更容易发生熄灭。在斜爆震的起爆及发展过程中,来流静温升高导致起爆点前移,三波点附近的爆震波角度变化趋于平缓。研制了连续式高焓预混超声速加热器,通过对其混合过程的数值模拟和着火延迟分析及实验研究,验证了该加热器既保证了混合均匀又解决了预着火问题。采用高速纹影技术研究了斜激波诱导燃烧与爆震发展的动态过程,分析了斜激波角度、混合物当量比及其他因素对其的影响与作用机制。结果表明高静温预混气流中爆震波的平均传播速度比CJ爆震速度低。起爆过程中,燃烧与流动的相互作用使得斜激波角度略增,导致波后温度和压力略有上升;当波后的气流处于起爆临界状态并出现较大扰动时,由于激波与燃烧的正反馈作用将发生迅速起爆。发展过程中,由于脱体爆震波本身的不稳定性及其与边界层的耦合振荡作用,导致爆震波角度与起爆三波点位置发生振荡;当可燃混合物的活性增大时,出现爆震波三波点向上游突跃的现象。对于低活性的来流混合物,即使强度较大的斜激波也较难起爆或维持爆震状态;随着来流活性的增加,爆震发展过程中出现了起爆-熄灭-再起爆的现象;随来流活性的进一步提高,脱体爆震波能持续发展。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 化学动力学研究
• 1.2.2 爆震机理问题研究
• 1.2.3 爆震燃烧应用进展
• 1.3 研究存在问题与不足
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 复杂化学反应模型的分析与简化方法
• 2.1 反应模型的分析和验证方法
• 2.1.1 敏感性分析
• 2.1.2 燃烧反应器求解模型
• 2.2 敏感性分析建立基干反应模型
• 2.2.1 冗余组分判断
• 2.2.2 冗余反应判断
• 2.3 准稳态假设建立总包反应模型
• 2.3.1 稳态假设简化反应模型
• 2.3.2 基于准稳态假设的复杂反应模型简化
• 2.3.3 简化反应模型分析与验证
• 2.3.4 小结
• 2.4 本章小结
• 第三章 自适应化学数值方法
• 3.1 控制方程与物理模型
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 N-S 方程组坐标变换
• 3.1.3 热力学模型
• 3.1.4 有限速率化学反应动力学模型
• 3.2 数值求解方法
• 3.2.1 非定常双时间步长方法
• 3.2.2 空间差分格式
• 3.2.3 输运方程的ADI 求解方法
• 3.2.4 并行求解方法
• 3.2.5 边界与初场处理
• 3.3 爆震模拟的自适应化学计算方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于爆震理论与化学反应动力学的氢氧爆震分析
• 4.1 简化爆震理论模型
• 4.2 基于真实气体的爆震理论分析
• 4.2.1 真实气体爆震参数求解
• 4.2.2 斜爆震驻定条件分析
• 4.2.3 初温对CJ 爆震波波后参数影响
• 4.2.4 初温对斜爆震驻定条件影响
• 4.3 氢氧爆震结构的ZND 模型分析
• 4.3.1 ZND 模型及求解方法
• 4.3.2 氢氧爆震详细反应模型验证
• 4.3.3 氢氧爆震结构及初温影响
• 4.4 氢氧爆震的化学动力学分析
• 4.4.1 关键反应通道分析
• 4.4.2 关键组分分析
• 4.4.3 小结
• 4.5 本章小结
• 第五章 氢氧爆震起爆和发展过程数值研究
• 5.1 模拟爆震的自适应化学方法验证
• 5.1.1 模拟氢氧爆震的自适应化学反应模型
• 5.1.2 激波诱导燃烧数值模拟及自适应化学验证
• 5.1.3 小结
• 5.2 等直管道爆震波发展过程及初温影响
• 5.2.1 网格与初边值条件
• 5.2.2 自持爆震胞格结构
• 5.2.3 横波在爆震发展中的作用
• 5.2.4 初温对爆震结构与发展稳定性影响
• 5.3 斜爆震起爆与发展过程及初温影响
• 5.3.1 网格和初边值条件
• 5.3.2 驻定斜爆震结构分析
• 5.3.3 初温对斜爆震起爆和发展影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 连续式预混超声速气流爆震研究实验系统
• 6.1 爆震研究实验系统分析
• 6.1.1 现有实验方案分析
• 6.1.2 连续式预混超声速气实验系统设计方案
• 6.2 连续式预混超声速气流爆震研究实验系统
• 6.2.1 爆震实验台
• 6.2.2 供应系统
• 6.2.3 测量与控制系统
• 6.2.4 光学观测设备
• 6.2.5 实验件
• 6.3 连续式高焓预混超声速加热器设计
• 6.4 预混加热器混合与预着火分析
• 6.4.1 数值计算方法与边界条件
• 6.4.2 混合过程计算结果分析
• 6.4.3 混合段着火延迟分析
• 6.5 预混加热器实验分析
• 6.5.1 预混加热器工作过程
• 6.5.2 预混段加入氮气工作过程
• 6.5.3 不发生预着火工况范围
• 6.6 本章小结
• 第七章 激波诱导脱体爆震起爆和发展过程实验研究
• 7.1 实验工况与分析
• 7.1.1 实验工况
• 7.1.2 预混加热器工作过程
• 7.1.3 实验工况分析
• 7.2 斜激波诱导燃烧与起爆过程
• 7.2.1 驻定斜激波形成
• 7.2.2 激波诱导燃烧过程
• 7.2.3 斜激波诱导起爆过程
• 7.2.4 影响爆震起爆因素
• 7.3 脱体爆震波发展非稳态过程
• 7.3.1 脱体爆震发展过程
• 7.3.2 影响脱体爆震波发展的因素
• 7.3.3 脱体爆震波不稳定发展机理分析
• 7.4 爆震的起爆－熄灭－再起爆过程
• 7.4.1 爆震熄灭与再起爆过程
• 7.4.2 爆震熄灭与再起爆影响因素
• 7.4.3 爆震熄灭与再起爆机理
• 7.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间发表论文及撰写报告
• 附录A 化学反应速率表达式
• 附录B 氢氧详细化学动力学模型反应常数
• 附录C 预混超声速加热器防止预着火实验分析