时空分布多点激光点火在超声速可燃气中直接起爆机理研究

以实现超声速气流中低能量激光直接起爆为目的，在已成功研制连续式高焓预混超声速加热器基础上，研究超声速气流中多种类型激光点火及其相互作用直接起爆机理。综合运用超高速/高速摄影、激光纹影、PLIF技术、PIV等手段，研究激光光化学点火中火焰核的形成、发展以及起爆过程，分析不同空间分布和时间间隔注入的多点激光非共振电离点火相互作用过程及起爆机理，研究耦合非共振电离点火和光化学点火的直接起爆机理，重点分析超声速气流对多点激光相互作用起爆过程的影响机制。结合直接起爆理论和光化学反应机理分析，研究激光光化学直接起爆物理机制和临界能量的关键影响因素，以及超声速条件下时空分布多点激光直接起爆所需满足的最小临界能量对应关系。该研究有助于加深理解激光点火与起爆机理，为激光点火直接起爆在未来高超声速推进系统中的应用提供重要参考。

本项目以实现超声速可燃气中低能量激光直接起爆为目的，对静止可燃气和超声速预混可燃气中激光点火起爆机理开展研究。主要工作和取得成果如下：.首先，为了数值模拟激光点火及其起爆过程，在开源程序上发展了适合爆震模拟的块自适应数值方法，可开展极高密度梯度的激光点火源及其发展过程的研究。.其次，设计了静止可燃气爆震点火的实验舱系统，可以开展负压到高压条件下爆震过程研究。并对现有的超声速预混加热器进行进一步完善，改善了来流预混气的品质，结合OH-PLIF技术进一步验证了预混气流场品质。.研究表明，初始压力对激光点火后火焰核和冲击波的发展过程有明显的影响，更高压力产生更强的冲击波，可促进点火或起爆的形成，同时压力升高也提高了混合物的活性，更利于点火与起爆。通过双激光相互作用过程的控制，可直接影响到最初火焰核和冲击波的形状，最终控制点火效果。但如果两束点火激光间隔太长，大于微秒量级时，二束光的相互作用效果会很弱。.双激光在可燃气中的起爆研究表明，化学反应对激光点火最初形成的火焰核和冲击波的传播有明显作用，可极大加速其传播。但是发现在当前的最高点火激光能量900mJ/Pulse，脉宽10ns下，都未能实现氢气和空气甚至氧气混合物的直接起爆。但是实验结果和数值计算都表明，当无反应的前导冲击波在壁面发生反射后，则可以瞬间实现直接起爆。.在乙炔和空气的混合物中则成功实现了爆震的直接起爆，并得到了激光能量356mJ/P，乙炔和氧混合物当量比条件下，直接起爆临界压力为23kPa。当接近临界条件时，出现了燃烧波和激波短暂分离现象，随后发生耦合。高于临界条件，燃烧波和激波直接耦合，并以接近CJ速度外传。.研究了超声速可燃气中爆震的点火与起爆过程。对于实验采用的氢和空气混合，由于受到混合段中低静压的影响，怎样改变当量比和初始静温都难以得到直接起爆。如果结合多点高能激光的相互作用，在气流中形成很强的反射激波，有利于实现在超声速可燃气中爆震的直接起爆。