圆柱形汇聚激波诱导点火特性研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yinzheng1974
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激波诱导点火由于能够充分利用激波独特的动力学特性,对于研究预混可燃气体点火及燃烧波传播过程具有显著优势。在激波诱导点火研究中,平面激波诱导点火由于实验上较为容易通过激波管实现而受到广泛应用。通过开展平面激波诱导点火相关研究,可以对预混可燃气体的化学反应动力学过程,特别是点火延时特性等机理认识提供可靠依据。截至目前,平面激波诱导点火的研究相对较为成熟,本文关注的是激波诱导点火的另一形式——汇聚激波诱导点火。与平面激波不同,汇聚激波在汇聚过程中,随着波面面积的减小,激波强度不断增加,激波波后可构建气体状态参数连续变化的流场,利用这种热力环境连续变化的特点,可望为参数变化剧烈的点火与火焰传播的机理揭示提供一种新的途径。基于以上考虑,本文开展了以下几方面的工作:  首先,本文提出一种实现汇聚激波诱导点火的新方案。该方案依据激波动力学理论设计管道构型以求最大程度减弱激波汇聚过程中产生的扰动,从而构建理想的点火环境,并且通过改变相应参数可以对该点火环境进行有的放矢的控制。对于该研究方案,实验结果验证了其可行性,而实验与准一维欧拉数值计算结果吻合较好则进一步说明点火及火焰传播过程具有良好的一维特征,表明该方案既有利于对化学反应过程中参数变化进行分析,同时也方便对气体状态连续变化点火环境中的燃烧波传播过程进行考察。  在成功实现圆柱型汇聚激波的基础上,对汇聚激波诱导点火基本现象进行了考察。就点火过程而言,实验发现,点火起始于汇聚激波波后一定距离处。通过理论分析和数值模拟可知,点火时间包含两部分,一部分由汇聚激波运动历程决定,另一部分由化学反应动力学特性决定,两部分的综合效果是沿空间存在点火时间极小值点。另一方面,就燃烧波传播过程而言,实验观察到点火发生后,经历一段时间激波-火焰复合结构在初始点火位置上游一定距离处形成,并在经历一个发展过程后转变为自持传播的CJ爆轰波。这一爆轰形成过程既不同于直接起爆,也不同于传统的平面激波诱导爆轰形成过程或者DDT过程,该过程没有出现明显的过驱现象。  进一步,考察入射平面激波强度、气体组分和初始压力等对点火及燃烧波传播过程的影响。首先,就激波强度影响而言,随着入射激波强度增加,初始点火位置往上游移动,同时汇聚激波经过初始点火位置时的激波强度以及初始点火位置流体质点波后温度减小;在此过程中,空间温度梯度演变的不均匀可能会造成燃烧波的超CJ加速现象。另一方面,汇聚管道端部的泄压出口起到控制激波汇聚增强程度的作用,随着入射平面激波马赫数的减弱,爆轰形成存在某一临界值,当入射平面激波马赫数高于临界值时,激波-火焰复合结构在出口下游形成后能够向上游传播进入楔形管道发展为爆轰波,由于出口边界复杂反射等扰动的影响,爆轰波形成过程中出现过驱现象;而当入射平面激波马赫数低于临界值时,激波-火焰复合结构在出口下游形成后受稀疏波消弱最终消散掉。其次,就气体组分影响而言,随着惰性气体对预混可燃气体稀释程度增加,气体初始点火位置往下游移动,同时汇聚激波经过初始点火位置时的激波强度以及初始点火位置流体质点波后温度增加,而在点火发生后,激波-火焰复合结构的形成将经历更长时间,相应的爆轰形成过程变得更加平缓。此外,研究还发现,当气体初始压力从低到高增加到某一程度,气体初始点火位置空间移动方向发生反转。
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