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1、爆轰产物能量缓释方法研究 于淼1 黄中伟2 李辉煌1 杨基明1 ( 1 中国科技大学力学和机械工程系，合肥2 3 0 0 2 7 ) ( 2 深圳大学土木工程系，深圳5 1 8 0 6 0 )摘要：为尝试扩大脉冲爆轰技术的应用领域，抑制其振动、噪声等不利因素，提高能源转换 效率的可能性，本文通过实验测量和数值计算，研究了单次爆轰产物通过孔盘将机械能缓慢 释放到相邻腔体的现象。实验测量和数值模拟分析的结果说明，在爆轰管与相邻腔体之间放 置孔径适当的隔离孔盘，可以使爆轰产物的能量逐渐地传递到腔体内，在后者中造成随时间 逐渐上升的压力分布。根据实际要求调整管体、腔体和孔径的几何尺寸，可以达到不同的能
2、 量缓释效果。1 引言在许多燃料中，稳定的燃烧方式有两种，爆轰过程和爆燃过程。由于爆轰过程进行得非 常迅速，燃烧过程可以近似地被看作是等容燃烧，因此爆轰产物的机械功输出能力高于爆燃 产物的相应能力。如果能用脉冲爆轰过程进行燃烧化学能一热能一机械能转换，则能源转换 效率将会高于常用的爆燃方式热机。将脉冲爆轰技术用于喷气式发动机的研究，近年来取得了长足的进展【1 8 1 。 如果考虑将脉冲爆轰过程用于活塞式、涡轮式内燃机，问题的复杂程度将大幅增加。主 要困难在于，脉冲爆轰过程产生带有强间断气体流场，其中的中强度激波将会带来强烈的振 动与噪声，并可能引起相关机械设备的严重损坏。 为尝试将脉冲爆轰技术
3、引入多种类型的内燃机械、提高能源转换效率的可能性，本文通 过实验和数值的方法，研究了单次爆轰产物通过孔盘将机械能缓慢释放到相邻腔体的现象。2 实验和数值方法图1 为实验装置示意图。图中A 段为爆轰管，其长度为2 m ；管截面为圆形，内径4 0 m m ， 外径8 0 m m 。B 段为空腔，截面为内径5 2 m m 的圆形，长度2 0 m m 。A 和B 之间由孔盘C 分隔， 实验中采用了三种孔盘，厚度均为5 m m ，中部小孔的直径分别为5 m m ，3 5 m m 和2 m m 。图中， I 为起爆所用的火花发生器，P 为火花电源；l 、2 、3 为压电晶体压力传感器，分别用于监测 爆轰波
4、参数和空腔B 底部的压力变化。压力传感器输出的信号通过电荷放大器F 后输出至 T e c t r o n i x 数字示波器T ，得到波形信号。 实验中，在爆轰管起爆端点燃，燃烧波通过D D T 距离后形成爆轰。爆轰波传播至孔盘c 处后，受到孔盘阻挡。爆轰产物通过小孔向孔腔内膨胀，同时，爆轰产物的机械能通过小孔 逐渐传输至空腔内的介质。图1 实验装置示意图1 3 0一爆轰产物能量缓释方法研究 二_ = 二二一一我们数值模拟方法采用的是有限体积法，其中通量计算是采用二阶M u s c l e 格式。其控制 方程如下：U t + F 一+ 吒- s其中：n 引f 嚣u1n I 喘plI I l L
5、 c + p ) Jf v1 “Iz plL v ( c + p ) Je ；丢p 【1 1 2 + 矿】+ h ph ；z A 鼍= m 鼍【a l + 詈T + 詈T 2 + 詈T 3 + 詈T + 詈)化学反应模型：羔v i ，l i 芝v i ，A i ，。1 ，N 奠) i 皇li = 1根据有限速率化学反应模型可以得到源项中不同组分生成速率的表达式为：喜t 小酬骓】- I 般一其中相应变量根据C h e m k i n 的假设：k f i ；l i r E 坤卜睾】b 。b 。：k f ik E 硼【譬一等】采用S t r a n g e 分裂算子方法，来处理该控制方程U t +
6、b + 吒一0 u t - S将整个计算过程分为两个过程，首先用有限体积法采取非结构四边形网格计算没有化学 反应项的E u l e r 方程，然后再计算没有流动下的化学反应项，其中时间步长等于流动计算中的 时间步长，为了解决化学反应涉及的刚性问题，本文采用了现在成熟的软件包D V o d e 来计算 求解相应的常微分方程组。 数值模拟中所使用模型的几何尺寸如图2 所示；此模型为轴对称模型，下壁面为对称轴， 其余边界为固壁条件。图中数字单位为m i l l ，但可以按无量纲折算，即图示时间与图中尺度线 性放大或缩小。 此计算模型的比例不同于实验装置，A ，段长度只有A 段的十分之一，这是由于在实
7、验中 必须有足够的距离使爆燃完全转化为爆轰；而在数值模拟中，我们直接将爆轰波的起始位置 设在A 段的左端，省略了D D T 过程。同时，由于A 段的长度已经比小腔长度高了个量级， 即使在数值模拟中将边界条件都设为固壁，左端的反射波对小腔内压力不能产生明显影响， 而且我们关注的只是小腔端部压力上升过程，所以就没有设置排出爆轰产物的出口边界。通 过后面的结果讨论可以看到，这些简化是合理的。一2 d 0B 葛 0 J一皇2 S一图2 爆轰腔计算示意图1 3 l第十一届全国激波与激波管学术会议3 结果与讨论实验中所使用的混合气体为氢气和氧气，采用的氢氧的分压为0 0 6 8 M p a 和0 0 3
8、4 M P a ，充入混合气体前的初压为0 0 0 1 M P a 。在端部的传感器前放置孔盘对爆轰波进行阻挡。在实验时 改变小孔的大小，观察其对爆轰波阻挡的影响，分别采用直径为5 m m 和2 m m 的小孔，得到的 波形分别如图3 和图4 所示。图3 ：5 n m a 孔的缓冲波形图4 ：2 I m 孔的缓冲波形图3 和图4 中分别采用的是5 咖和2 舳直径小孔的孔盘，从上往下波形1 和2 分别为在 端盖上的中心和边缘的压力，波形3 为缓冲前管壁的压力( 参见图1 ) 。电荷放大器采用的放大倍数为：端盖上3 0 x ，侧壁上l O x 。在波形1 、2 中纵坐标上每格即代表0 6 8 M
9、p a 而波形3 中相应长度代表2 0 6 M p a ；横轴的时间坐标每格代表0 5 m s 。可以看出，孔盘对爆轰波起到不同程度的缓释作用，端部的压力峰值都大大低于爆轰波的峰值，降低了三分之二左右；在图4 中， 经过孔盘和空腔B 的缓冲作用，端盖上的压力呈近似线性增长，增长过程持续了约0 5 m s ，比爆轰波直接作用在时间尺度上拉长了约两个数量级，缓冲效果明显。 在孔盘前加一层薄膜，使得小腔初始状态为不可燃的空气，其它条件同前，再作一组实 验。使用5 m m 孔时缓冲效果不够明显，而使用2 m m 孔时薄膜又难以迅速破裂以致测不到端部压力增长曲线，当使用3 5 m m 孔时能看到较好的缓
10、冲效果，得到的波形如图5 所示。图中波形1 、2 的纵坐标每格代表0 3 4 M p a ，波形3 中相应长度代表2 0 6 M p a ；而横坐标每格代表0 5 m s 。：曲线l 、2 为端l | ；1 脏强：卜：峥“ 甲、 攀h 附L ：一l-，： ! 璺A端菇漪疗的爆菠渡- 一蝴洲怖k图5 ：3 5 n u n 孔加膜缓冲实验波形图6 ：爆轰波到达孔盘前的波形图6 至图1 2 为数值模拟的结果，在爆轰波到达孔盘之前使用带化学反应的求解方程，与1 3 2爆轰产物能量缓释方法研究 _ = 二二二2 二_ 一孔盘发生碰撞后使用无化学反应的求解方程，这与实验中缓冲小腔内初始气体为不可燃的情况相
11、同。由图6 和图7 可以看到，爆轰波到达孔盘后，通过小孔向后传入了一个强度小得多的激波，由图6 和图8 可以得出此激波的峰值压力只有不到初始爆轰波的四分之一。通过此激波的作用以及爆轰腔内爆轰波反射后形成的高压区的作用，爆轰产物向小腔内释放。图9 为爆轰腔内孔盘端部压力随时间变化情况，可以看到压力变化剧烈，经过约0 2 8 m s 的时间在爆轰腔内完成一次反射( 即出现第二个脉冲) ；而图1 0 - 1 1 显示的小腔内的压力变化幅度则小得多。有一点需要说明的是，实验和数值计算结果均表明，小腔端部中心的压力峰值明显高于边缘的压力峰值，这说明二者中至少有一个与小腔的平均压力变化差别较大。通过分析数
12、值结果我们发现，小腔端部中心处由于激波反射汇聚以及小孔的射流冲击的动压作用，其压力峰值有着很大幅度的上升。图1 2 为小腔附近X 方向质点速度分布情况，可以看出轴线附近明显有射流撞击端壁的现象，因而造成小腔端部中心压力大大高于边缘的压力。由此可见，边缘处的压力变化更能代表小腔压力的平均历史过程。另外，图l O 、1 1 与前面的实验结果图5比较，在基本性质上相似，即压力攀升缓慢且峰值较低，这说明了数值模拟的可信性。1 8 01 9 02 0 02 1 02 2 0 X 图7 ：爆轰产物向小腔扩散的压力云图7 E + 0 66 E + 0 65 E + 0 6星4 E + 0 6L3 E + 0
13、 62 E + 0 61 E + 0 6、卜0 0 0 0 100 0 0 20 0 0 0 300 0 0 4 R u n t i m e l s图9 ：孔盘前方压力一时间曲线X图8 ：爆轰产物扩散时轴线压力瞬时分布1 1 E + 0 61 E + 0 69 0 0 0 0 08 0 0 0 0 07 0 0 0 0 0妒o o o o o5 0 0 0 0 04 0 0 0 0 03 0 0 0 0 02 0 0 0 0 01 0 0 0 0 01 3 30 0 1 昌盛。，s 口。o 图1 0 ：小腔端部M 点P t 曲线R u n t i m e ，s 图1 1 ：小腔端部N 点P t
14、 曲线4 结论图1 2 ：小腔轴线附近u x 分布曲线图实验观察和数值模拟分析的结果说明，在爆轰管与相邻腔体之间放置孔径适当的隔离孔盘，可以使爆轰产物的能量逐渐地传递到腔体内，在后者中造成随时间逐渐上升的压力分布。 根据实际要求调整管体、腔体和孔径的几何尺寸，可以达到不同的能量缓释效果。参考文献【1 】B u s s i n gT a n dP a p p a sGA nI n t r o d u c t i o nt oP u l s eD e t o n a t i o nE n g i n e s A I A AP a p e r , 19 9 4 ，9 4 0 2 6 3【2 】B u
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