1-9 气体－燃料液滴两相系统爆轰的数值模拟洪 滔 秦承森燃料液滴散布在空气或氧气中，形成气体与燃料液滴的混合介质。对在这种介质中产生的爆轰的点火和增长进行了研究。气体－燃料液滴系统中爆轰的点火和增长过程是含化学反应的非均匀多相流体力学过程，它是一系列复杂过程的组合包括相变、混合、化学反应等。提出了关于气体－燃料液滴系统爆轰的两相流模型，模型从两相流体力学方程出发，考虑了气液两相之间的一些相互作用，如液滴在气流作用下的运动、剥离，液滴的蒸发，对流热传导和相变过程，考虑反应物与产物的组分，用一步反应率考虑化学反应的放能过程，对气体和燃料液滴的两相爆轰过程进行理论研究。两相有各自的状态变量如密度、速度、内能。每一相都服从守恒定律，但两相间存在质量 –动量能量交换。编制了求解两相系统中爆轰波发展的程序，对气体为空气、液体燃料为庚烷的两相系统中的非定常爆轰进行数值模拟。数值模拟了点火后两相系统爆轰波的发展过程、爆轰波的结构和参数。可见，气体－燃料液滴系统中爆轰波宽度可达几厘米甚至更宽，因此爆速受曲率影响的效果十分明显。 当爆轰波半径较小时，曲率较大，爆速较小，因而爆轰波参数较低。当爆轰波半径较大时，曲率较小，爆速变大，因而爆轰波参数升高。通过数值模拟可以确定爆轰波 CJ面位置。在CJ面外液滴仍未完全剥离和蒸发，尽管这些液滴还会被剥离和蒸发并与氧气反应释放出能量，但这些能量不能输送给爆轰波。只有在激波面和CJ面内释放出来的能量才能用于维持爆轰波的传播。通过数值模拟可以得到不同液滴半径的两相系统中爆轰波的参数、爆轰波宽度。显然液滴颗粒越大，剥离速度越慢，蒸发速度也越慢，使得反应区变宽，爆轰波速度和压力降低。表 1列出空气中氧气与燃料等效比为1的系统中的爆轰波两相爆轰的参数。其中R为液滴半径，D为爆轰波速度，p、r、u分别为压力、密度、气体速度，下标sh表示激波面的参数，以cj表示CJ面的参数，lcj表示爆轰波宽度。对加燃料气体的两相系统的爆轰波也进行了数值模拟。对不同初始点火能量对两相系统的爆轰波的影响进行了数值模拟。表明存在一临界点火能量并且可以通过数值模拟得到该临界点火能量的数值。研究了燃料液滴大小对爆轰波结构和参数的影响。研究了燃料液滴的浓度对爆轰波结构和参数的影响。对不同初始点火能量和点火方式对两相系统点火的影响进行了研究。 表1 空气中两相爆轰的参数
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