沖擊壓縮下甲烷、氬氣的高溫輻射特性與反應(yīng)流體動力學(xué)研究

【摘要】： 為了研究一些分子結(jié)構(gòu)較簡單的氣體介質(zhì)在不同沖擊條件下的狀態(tài)參數(shù)和反應(yīng)流場的變化，首先用實(shí)驗(yàn)方法測量了沖擊壓縮下甲烷與氬氣的高溫輻射亮度歷史，分別得到了氣體沖擊波速度、沖擊溫度等重要的沖擊狀態(tài)參數(shù)，然后分別用流體動力學(xué)理論模擬了氣體的反應(yīng)流體動力學(xué)過程。 用二級輕氣炮作為加載手段，加速平面鎢飛片，撞擊充有試驗(yàn)氣體的鋁靶盒。采用磁測速系統(tǒng)測量飛片的碰靶速度，用六通道瞬態(tài)光學(xué)高溫計記錄沖擊壓縮氣體的高溫輻射亮度歷史，由此可以測量出氣體中的沖擊波速度并擬合出相應(yīng)的沖擊溫度。分別選用甲烷(作為典型的多原子分子氣體)和氬氣(作為典型的惰性氣體)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)的初始條件接近常態(tài)。 在甲烷氣體的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)中，飛片速度分別是4.8km／s、4.9km／s和5.1km／s，實(shí)驗(yàn)測出相應(yīng)氣體中的沖擊波速度分別是8.4±0.2km／s、8.5±0.2km／s和8.9±0.2km／s。實(shí)驗(yàn)觀察到所有信號很快上升到最大輻射亮度值，然后略有下降，說明受沖擊壓縮的甲烷氣體高溫輻射處于非平衡的輻射過程。在局域熱動平衡假設(shè)下，借助六通道的測量數(shù)據(jù)采用不等權(quán)最小二乘法擬合出各次實(shí)驗(yàn)的表觀輻射溫度分別是4020±60K、4180±80K和4390±90K。首次通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甲烷氣體在強(qiáng)沖擊波作用下波后溫升小而且伴隨非平衡熱輻射的事實(shí)，這些結(jié)果為研究甲烷的沖擊反應(yīng)流場及其沖擊狀態(tài)方程提供了重要的數(shù)據(jù)。 在氬氣的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)中，飛片速度分別是1.78km／s、2.00km／s和2.76km／s，實(shí)驗(yàn)測出相應(yīng)氣體中的沖擊波速度分別是3.86±0.08km／s、4.10±0.09km／s和5.30±0.12km／s。實(shí)驗(yàn)觀察到當(dāng)飛片速度為1.78km／s時，各個通道記錄到氬氣輻射亮度的時間相關(guān)曲線是一條斜率很小的直線段，這正是光學(xué)薄介質(zhì)的輻射特征，即受沖擊壓縮的氬氣吸收系數(shù)接近常數(shù)；當(dāng)飛片速度為2.00km／s時，405nm～650nm通道記錄到的氬氣輻射亮度的時間相關(guān)曲線是直線段，其余通道記錄到的氬氣輻射亮度的時間相關(guān)曲線是指數(shù)曲線段，說明氣體的吸收系數(shù)隨波長變化，受沖擊壓縮氣體介質(zhì)的光學(xué)厚度介于光學(xué)薄和光學(xué)厚之間；當(dāng)飛片速度為2.76km／s時，所有通道記錄到的輻射亮度的時間相關(guān)曲線是指數(shù)曲線段。本研究首次從實(shí)驗(yàn)上觀察到?jīng)_擊壓縮下氬氣高溫輻射的這種變化規(guī)律，這對進(jìn)一步研究沖擊氬氣的發(fā)光機(jī)理提供了直接的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 用光學(xué)多通道分析儀(OMA)測量了飛片速度為1.77km／s時氬氣的具有時間分辨的沖擊光譜，觀察到了二次沖擊氬氣的光譜結(jié)構(gòu)但沒有記錄到一次沖擊的光譜，進(jìn)一步證實(shí)了氬氣一次沖擊光譜強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相同溫度下的黑體輻射強(qiáng)度。此外，還觀察到二次沖擊的氬氣光譜在450nm波長附近存在較強(qiáng)的光譜帶，這可能與較弱電離狀態(tài)下的束縛—自由態(tài)光子躍遷有聯(lián)系。 用流體力學(xué)方程組與多組元的化學(xué)反應(yīng)方程組耦合，對飛片速度范圍為3.0km／s～9.0km／s的9種沖擊條件進(jìn)行了甲烷氣體的一維無粘沖擊反應(yīng)流數(shù)值模擬。在進(jìn)行宏觀化學(xué)反應(yīng)動力 沖擊壓縮下甲烷、氖氣的高溫輻射特性與反應(yīng)流體動力學(xué)研究 一 學(xué)計算時，需要給出體系的基元反應(yīng)數(shù)目和所有反應(yīng)的Arrhen山s形式的速率常數(shù)。本文中， 分別考慮了 7組元門反應(yīng)模型和門組元 40反應(yīng)模型，共作了 18種情況的計算。采用三階 WENO格式作無粘流的數(shù)值通量分裂和三階 TVD Runge－Kutta方法作時間方向的離散，有效 地捕捉到了流場中的強(qiáng)沖擊波，并給出了各種計算條件下甲烷氣體的沖擊流場圖象和沖擊波 參數(shù)。計算表明，當(dāng)飛片速度低（3km兒）時，兩種反應(yīng)模型給出沖擊狀態(tài)參數(shù)的結(jié)果基本一 致，因?yàn)檫@時甲烷氣體沖擊波后的成分變化很小，說明可以用更簡單的化學(xué)反應(yīng)模型描述高 溫甲烷的化學(xué)反應(yīng)過程：當(dāng)飛片速度增大時，甲烷分子迅速的離解，反應(yīng)產(chǎn)物容易形成穩(wěn)定 的化八物（如C。H。，C。H；們，只有門綱元40反應(yīng)棋刑的計算結(jié)果才能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。 各種模型模擬出的壓力沖擊剖面顯示，氣體波后壓力容易達(dá)到平衡狀態(tài)，因此，把無化 學(xué)反應(yīng)的凍結(jié)模型算出的沖擊波壓力和溫度作為初值，然后按定壓反應(yīng)進(jìn)行了各種情況的非 平衡區(qū)計算。模擬結(jié)果表明，沖擊波后的非平衡區(qū)域更合理，與實(shí)驗(yàn)觀察到的沖擊甲烷輻亮 度歷史曲線規(guī)律基本一致，而且還十分清楚地得到了非平衡化學(xué)反應(yīng)的過程。 盡管 13組元 40反應(yīng)模型給出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，但沖擊溫度的計算值要略低于實(shí)驗(yàn)值， ．（OLtt；？剖面給出的非平衡區(qū)域比實(shí)驗(yàn)觀測到的非平衡區(qū)要窄得多。筆者認(rèn)為，引起這種差 異的主要原因在于目前選用的宏觀化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)中并未考慮到各種分子的振動溫度與平動 砒度的差別而僅用了單溫度模型，如果采川“雙溫度”模型可能會得到與實(shí)驗(yàn)更趨一致的結(jié) 果。這有待于將來作進(jìn)一步的研究。 根據(jù)一維平面沖擊波下的局域熱動平衡假設(shè)，利用沖擊波間斷關(guān)系和描述氣體電離平衡 的Saha方程，分別計算了氦氣和氖氣在我們的實(shí)驗(yàn)條件下的Hugoniot數(shù)據(jù)。計算表明，較弱 沖擊波加熱的氦氣與氖氣，其沖擊波溫度相差很大，因此相應(yīng)的電離度也相差甚遠(yuǎn)。進(jìn)一步 的分析認(rèn)為，氦氣的原子量小，第一激發(fā)能 【關(guān)鍵詞】：甲烷 氬氣 沖擊壓縮 非平衡 熱輻射 Hugoniot數(shù)據(jù) 反應(yīng)機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院北京研究生部
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2002
【分類號】：O643.1
【目錄】：

• 1 緒論12-16
• 1．1 研究背景與意義12-13
• 1．2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1．3 研究內(nèi)容簡介15-16
• 2 沖擊壓縮下甲烷氣體的狀態(tài)參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究16-29
• 2．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與裝置16-17
• 2．2 實(shí)驗(yàn)信號記錄17-20
• 2．3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與結(jié)果20-28
• 2．3．1 甲烷沖擊溫度的擬合方法20-23
• 2．3．2 飛片速度的確定方法23-24
• 2．3．3 沖擊波速度的確定方法24
• 2．3．4 靶板／氣體界面的粒子速度和壓力的確定方法24-27
• 2．3．5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析27-28
• 2．4 小結(jié)28-29
• 3 沖擊壓縮下甲烷的反應(yīng)流體動力學(xué)數(shù)值模擬基本理論29-36
• 3．1 一維反應(yīng)流體動力學(xué)模型的建立29-30
• 3．1．1 熱力學(xué)參數(shù)29-30
• 3．1．2 化學(xué)反應(yīng)源項30
• 3．2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理30-32
• 3．2．1 7組元17反應(yīng)模型31
• 3．2．2 13組元40反應(yīng)模型31-32
• 3．3 數(shù)值格式32-34
• 3．3．1 空間離散32-34
• 3．3．2 時間離散34
• 3．4 初邊值條件34-35
• 3．5 計算程序編制說明35
• 3．6 小結(jié)35-36
• 4 沖擊壓縮下甲烷的反應(yīng)流體動力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果36-52
• 4．1 一維沖擊壓縮甲烷流場在不同反應(yīng)模型下的模擬結(jié)果36-47
• 4．1．1 7組元17反應(yīng)模型37-42
• 4．1．2 13組元40反應(yīng)模型42-47
• 4．2 兩種反應(yīng)模型的沖擊波參數(shù)47-48
• 4．3 討論與分析48-50
• 4．4 小結(jié)50-52
• 5 沖擊壓縮下甲烷熱分解的非平衡過程模擬52-57
• 5．1 完全凍結(jié)條件下的平面沖擊波52
• 5．2 沖擊波后非平衡區(qū)的計算理論52-53
• 5．2．1 控制方程52-53
• 5．2．2 化學(xué)反應(yīng)模型53
• 5．3 計算與結(jié)果53-55
• 5．4 分析與討論55-56
• 5．5 小結(jié)56-57
• 6 氬氣的沖擊壓縮特性研究57-71
• 6．1 氬氣的沖擊壓縮特性實(shí)驗(yàn)研究57-59
• 6．2 沖擊壓縮下氬氣的Hugoniot數(shù)據(jù)的確定59-62
• 6．3 沖擊壓縮下氬氣的高溫輻射特性研究62-65
• 6．3．1 在局域熱動平衡近似下光子場的Boltzmann輸運(yùn)方程的解62-64
• 6．3．2 沖擊波加熱氬氣的輻射特性與機(jī)制分析64-65
• 6．4 時間分辨的沖擊氬氣光譜測量65-70
• 6．4．1 測試技術(shù)設(shè)計66-67
• 6．4．2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計67-68
• 6．4．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果68-70
• 6．5 小結(jié)70-71
• 7 初步的工程應(yīng)用71-77
• 7．1 氣體保護(hù)下電探針組的導(dǎo)通現(xiàn)象71-73
• 7．1．1 實(shí)驗(yàn)裝置72
• 7．1．2 氣體保護(hù)下電探針組的導(dǎo)通現(xiàn)象72-73
• 7．2 幾種典型氣體的沖擊狀態(tài)參數(shù)比較73-74
• 7．3 電探針保護(hù)氣體的優(yōu)選原則74-75
• 7．4 沖擊光源的工作介質(zhì)選擇75-76
• 7．5 小結(jié)76-77
• 8 全文總結(jié)77-81
• 8．1 取得的主要結(jié)果77-79
• 8．2 將來工作的展望79-81
• 參考文獻(xiàn)81-87
• 附錄A87-88
• 附錄B88-90
• 附錄C90-91
• 致謝91

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