一种激波对撞型急热反应系统及其工作过程的制作方法

本发明涉及一种激波对撞型急热反应系统及其工作过程，属于反应工程技术领域。

背景技术：

自上世纪50年代开始，激波管已被发展成为有很多用途的试验工具之一。它已经用于研究气体动力学、反应动力学、燃烧爆炸等领域。

在反应动力学研究领域，研究反应机制通常需要恒定的温度压力条件，传统加热方式（通常借助外部加热）很难实现温度的均匀化要求。采用激波管可以通过激波使实验气体在很短时间内（可达微秒级）被加热，加热温度可通过激波强度控制完成，而且利用激波管研究快速化学反应具有较好的一致性。然而，普通激波管利用高压气流的一次激波进行增温、增压，虽可实现较高压缩效率，但由于只利用了一次激波和反射激波的双重增压增温效应，对于高温升、高压比的场合往往需要更大的激波强度，而且反射激波与接触面相交后的透射激波对反应测试区的温度压力造成较大的干扰，为此需要复杂的配气过程，尽量削弱透射激波的强度，但寻找合适的配气会大大降低反应的灵活性和经济性。因此，研制一种高温升、高压增比的急热反应系统是很有必要的。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种激波对撞型急热反应系统及其工作过程，其目的在于充分利用激波的固有特性，构造激波多次压缩功能，可显著提高温升、增压比，并且可避免配气过程，即利用激波和透射激波的多重增温、增压原理实现对被驱动介质的多次增温、增压以解决快速温升、增压比不足的问题；不必要为抑制激波管内反射激波的二次反射而进行繁杂的气体组分配制工作。

本发明采用的技术方案是：一种激波对撞型急热反应系统，该系统包括激波对撞管系统、工作介质系统和检测系统，其特征是：所述工作介质系统包括驱动介质源、被驱动介质源、真空泵和阀门组；所述检测系统包含压力表、真空表、动态传感器组件和光电倍增组件；所述激波对撞管系统包含激波对撞管、第一同步破膜装置、第二同步破膜装置和测试窗口；所述激波对撞管通过第一同步破膜装置、第二同步破膜装置划分成两端热物性相同的第一驱动介质区域、第二驱动介质区域和中间的被驱动介质区域；所述三个介质区域分别设有压力表和真空表并通过阀门组与真空泵连接；在激波对撞管的中心位置段设有测试窗口，测试窗口的宽度由左右两接触面滞止位置限定；驱动介质源通过阀门组分别与第一驱动介质区域、第二驱动介质区域连接，被驱动介质源通过阀门组与被驱动介质区域连接；动态传感器组件均布于第一驱动介质区域、第二驱动介质区域和被驱动介质区域；所述系统利用相向而行的运动激波及其透射激波的多重快速增压、增温，急速实现反应介质的升温、升压，并保持长时间恒温恒压环境，实时动态检测系统中的温度、压力、组分和浓度。

所述的一种激波对撞型急热反应系统的工作过程是：

（1）在t₀时刻破膜后，激波对撞管内产生相向运动的左运动激波、右运动激波分别一次压缩被驱动介质区中介质，使其温度、压力升高，形成左一次压缩区、右一次压缩区；相背运动的左膨胀波、右膨胀波分别使左驱动介质区、右驱动介质区中介质的温度、压力下降；

（2）两相向运动的左运动激波、右运动激波相交后，相互透射为相背运动的左初次透射激波、右初次透射激波，且对左一次压缩区、右一次压缩区内介质进行二次压缩，使其温度、压力更高，形成激波二次压缩区；左初次透射激波、右初次透射激波随后分别与相向运动的右接触面、左接触面相遇，发生透射、反射现象，产生右二次透射激波、左二次透射激波与右反射激波、左反射激波，其中产生的右反射激波、左反射激波会对激波二次压缩区内被驱动介质继续进行第三次压缩，形成左三次压缩区、右三次压缩区，使其温度、压力再次升高，而左接触面、右接触面在与右初次透射激波、左初次透射激波相遇后会变为低速的一次作用左接触面、右接触面；左反射激波、右反射激波相遇后产生第一反射激波的左透射激波、右透射激波继续对被驱动介质进行增温增压，产生的第一反射激波的左透射激波、右透射激波分别与一次作用左接触面、右接触面相遇，作用后形成的滞止左接触面、滞止右接触面会处于滞止状态，由此在激波对撞管中部滞止左接触面、右接触面间便会形成恒定高温高压的滞止介质区，实现被驱动介质的急速升温、升压；对称中心放置的测试窗口的宽度由滞止左接触面和滞止右接触面的滞止位置限定，测试起始时间区间由左右运动激波相交时刻和第一反射激波的透射激波与一次作用接触面相交时刻限定。

本发明的有益效果是：这种激波对撞型急热反应系统，相比普通激波管具有如下技术优势：

1、利用激波和透射激波的多重快速增温、增压机制，实现被驱动介质的急速升温、升压，且能保持较长时间内温度、压力的恒定；

2、利用激波自身的耗散性质，自行削弱接触面前透射激波强度，节省配气工作。

附图说明

图1是一种激波对撞型急热反应系统图。

图2是一种激波对撞型急热反应系统的工作波图。

图1中：1、压力表，2、真空表，3a、第一同步破膜装置,3b、第二同步破膜装置,4、动态传感器组件，5、测试窗口，6、激波对撞管，7、驱动介质源，8、被驱动介质源，9、真空泵，10、阀门组，11、光电倍增组件，DGa、第一驱动介质区域，DGb、第二驱动介质区域，DN、被驱动介质区域。

图2中：A、被驱动介质区，B_L、左驱动介质区，B_R、右驱动介质区，C_L、左一次压缩区，C_R、右一次压缩区，D_L、左低温低压区，D_R、右低温低压区，E、二次压缩区，F_L、左耗散区，F_R、右耗散区，G、滞止介质区，H_L、左三次压缩区，H_R、右三次压缩区，S_L、左运动激波，S_R、右运动激波，R_L、左膨胀波，R_R、右膨胀波，CF_L、左接触面，CF_R、右接触面，S_L⁽¹⁾、左初次透射激波，S_R⁽¹⁾、右初次透射激波，S_L⁽²⁾ 、左二次透射激波，S_R⁽²⁾、右二次透射激波，S_L^R、左反射激波，S_R^R、右反射激波，CF_L⁽¹⁾、一次作用左接触面，CF_R⁽¹⁾、一次作用右接触面，CF_L⁽²⁾、滞止左接触面，CF_R⁽²⁾、滞止右接触面，S_L^PR、第一反射激波的左透射激波，S_R^PR、第一反射激波的右透射激波，t₀、破膜时刻，t₁、左右运动激波相交时刻，t₂、第一反射激波的透射激波与一次作用接触面相交时刻，t₃、滞止接触面与反射而回的膨胀波波前相交时刻。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步详细说明。

实施例1 利用激波对撞型急热反应系统对化学反应气体急速升温升压。

图1示出了一种激波对撞型急热反应系统。该种激波对撞型急热反应系统包括激波对撞管系统、工作介质系统和检测系统。工作介质系统包括驱动介质源7、被驱动介质源8、真空泵9和阀门组10。检测系统包含压力表1、真空表2、动态传感器组件4和光电倍增组件11。激波对撞管系统包含激波对撞管6、第一同步破膜装置3a、第二同步破膜装置3b和测试窗口5；所述激波对撞管6通过第一同步破膜装置3a、第二同步破膜装置3b划分成两端热物性相同的第一驱动介质区域DGa、第二驱动介质区域DGb和中间的被驱动介质区域DN；所述三个介质区域分别设有压力表1和真空表2并通过阀门组10与真空泵9连接；在激波对撞管6的中心位置段设有测试窗口5，测试窗口5的宽度由滞止左、右接触面的滞止位置限定；驱动介质源7通过阀门组10分别与第一驱动介质区域DGa、第二驱动介质区域DGb连接，被驱动介质源8通过阀门组10与被驱动介质区域DN连接；动态传感器组件4均布于第一驱动介质区域DGa、第二驱动介质区域DGb和被驱动介质区域DN；所述系统利用相向而行的运动激波及其透射激波的多重快速增压、增温，急速实现化学反应气体的升温、升压，并保持长时间恒温恒压环境，实时动态检测系统中的温度、压力、组分和浓度。

图2示出了激波对撞型急热反应系统的工作波图，其工作过程如下：

1在t₀时刻破膜后，激波对撞管内由于初始不连续边界条件，进而产生相向运动的左运动激波S_L、右运动激波S_R分别一次压缩被驱动介质区A中化学反应气体，使其温度、压力升高，形成左一次压缩区C_L、右一次压缩区C_R；相背运动的左膨胀波R_L、右膨胀波R_R分别使左驱动介质区B_L、右驱动介质区B_R中介质的温度、压力下降；

2两相向运动的左运动激波S_L、右运动激波S_R相交后，相互透射为相背运动的左初次透射激波S_L⁽¹⁾、右初次透射激波S_R⁽¹⁾，且对左一次压缩区C_L、右一次压缩区C_R内化学反应气体进行二次压缩，使其温度、压力更高，形成激波二次压缩区E；左初次透射激波S_L⁽¹⁾、右初次透射激波S_R⁽¹⁾随后分别与相向运动的右接触面CF_R、左接触面CF_L相遇，发生透射、反射现象，产生右二次透射激波S_R⁽²⁾、左二次透射激波S_L⁽²⁾与右反射激波S_R^R、左反射激波S_L^R，其中产生的右反射激波S_R^R、左反射激波S_L^R会对激波二次压缩区E内被化学反应气体继续进行第三次压缩，形成左三次压缩区H_L、右三次压缩区H_R，使其温度、压力再次升高，而左接触面CF_L、右接触面CF_R在与右初次透射激波S_R⁽¹⁾、左初次透射激波S_L⁽¹⁾相遇后会变为低速的一次作用左接触面CF_L⁽¹⁾、右接触面CF_R⁽¹⁾；左反射激波S_L^R、右反射激波S_R^R相遇后产生的第一反射激波的左透射激波S_L^PR、第一反射激波的右透射激波S_R^PR继续对化学反应气体进行增温增压，产生的第一反射激波的左透射激波S_L^PR、右透射激波S_R^PR分别与一次作用左接触面CF_L⁽¹⁾、右接触面CF_R⁽¹⁾ 相遇，作用后形成的滞止左接触面CF_L⁽²⁾、滞止右接触面CF_R⁽²⁾ 会处于滞止状态，由此在激波对撞管中部两滞止接触面间便会形成高温高压滞止介质区G，实现对化学反应气体急速升温、升压的目的。对称中心放置的测试窗口5的宽度由滞止左接触面CF_L⁽²⁾和滞止右接触面CF_R⁽²⁾的滞止位置限定，测试起始时间区间由左右运动激波相交时刻t₁和第一反射激波的透射激波与一次作用接触面相交时刻t₂限定。