喻健良,張 東,閆興清

(大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院,遼寧 大連 116024)

管道內(nèi)全阻塞障礙物對(duì)氣相爆轟波傳播特性的影響*

喻健良,張 東,閆興清

(大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院,遼寧 大連 116024)

建立了長(zhǎng)2 800 mm、內(nèi)徑為50 mm的圓管內(nèi)爆轟波傳播實(shí)驗(yàn)裝置，采用光電二極管探測(cè)火焰鋒面以獲得爆轟波的傳播速度，采用煙跡法記錄爆轟波的胞格結(jié)構(gòu)。通過在管道不同位置設(shè)置阻塞率為1的聚丙烯薄膜，研究不同初始?jí)毫ο虏煌瑲鍤庀♂対舛鹊腃2H2+2.5O2+nAr預(yù)混氣體爆轟波在通過全阻塞障礙物前后傳播速度及胞格結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明，氣相爆轟波在達(dá)到穩(wěn)態(tài)爆轟后，在通過全阻塞薄膜障礙物的過程中會(huì)產(chǎn)生2種不同的傳播形式：速度虧損和爆轟失效。氣相爆轟波穿過不同區(qū)域的傳播過程可以分為3個(gè)階段：穩(wěn)態(tài)傳播階段、速度虧損階段或爆轟失效階段、過驅(qū)爆轟階段。

爆轟波;全阻塞障礙物;速度虧損;爆轟失效

可燃?xì)怏w爆炸一旦由爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，爆轟波將以數(shù)千米每秒的速度傳播，對(duì)生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。宏觀邊界條件是影響氣相爆轟波傳播特性的一個(gè)重要因素，深入研究邊界條件對(duì)爆轟波傳播特性的影響規(guī)律，是工作環(huán)境危險(xiǎn)評(píng)價(jià)、事故預(yù)防與控制、事故災(zāi)害演化的重要課題。

針對(duì)不同邊界對(duì)爆轟波傳播特性的影響目前已經(jīng)開展了一些工作。J.A.Fay[1]較早對(duì)邊界層影響爆轟傳播進(jìn)行了準(zhǔn)確描述；J.H.S.Lee[2]開展了大量氣相爆轟實(shí)驗(yàn)研究，涵蓋了不同邊界條件對(duì)氣相爆轟波在管道內(nèi)傳播特性的探討。近年來，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究逐漸分化為大尺度和微尺度兩個(gè)方面。S.Dorofeev等[3]實(shí)驗(yàn)研究了大規(guī)模受限空間內(nèi)氣相爆轟問題；R.K.Zipf等[4]、E.S.Oran等[5]測(cè)量了安裝有障礙物的巨型爆轟管道中CH4/air的爆轟參數(shù)，并開展了障礙物作用下天然氣與空氣混合物的爆燃轉(zhuǎn)爆轟(deflagration-to-detonation transition,DDT)實(shí)驗(yàn)。雖然大尺度實(shí)驗(yàn)參數(shù)更接近于工程領(lǐng)域，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有很強(qiáng)的借鑒意義，但是較耗時(shí)、耗力、耗資。針對(duì)這種情況，研究人員利用微米級(jí)狹縫作為邊界條件，將爆轟問題的研究深入至火焰特征尺寸這一微小尺度。Wu Minghsun等[6]證實(shí)，在狹窄平板狹縫中火焰依然可以加速并完成DDT過程。在微米級(jí)流道中，流體運(yùn)動(dòng)速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)都將呈現(xiàn)強(qiáng)制層流，故此種尺度上的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)探索爆轟機(jī)理意義重大。

然而，現(xiàn)有爆轟波傳播過程中邊界條件影響的研究集中在阻塞率(rb)小于1的情況[7-10]，爆轟波繞過障礙物或通過粗糙壁面的機(jī)理研究也集中在繞射與反射問題上[11]。但是，由于爆轟產(chǎn)生的超壓極高，爆轟波很有可能摧毀障礙物后再次引燃障礙物后的可燃?xì)怏w繼續(xù)傳播。此特殊條件下爆轟波通過全阻塞障礙物前后的傳播特性還屬未知。另外，非穩(wěn)態(tài)氣體的氣相爆轟波波頭結(jié)構(gòu)并不規(guī)則，但在加入高濃度惰性氣體后，未燃?xì)怏w性質(zhì)與Zel’dovich-von Neumann-D?ring(ZND)模型條件十分接近，爆轟波將出現(xiàn)規(guī)整的波頭結(jié)構(gòu)。

基于此，本文中，以不同氬氣稀釋濃度的C2H2+2.5O2+nAr預(yù)混氣體作為研究對(duì)象，通過建立圓形管道內(nèi)爆轟波傳播實(shí)驗(yàn)裝置，研究在不同初始?jí)毫ο路€(wěn)態(tài)爆轟波通過薄膜障礙物前后傳播速度及胞格結(jié)構(gòu)的變化。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示，由爆轟管道、充排氣系統(tǒng)、控制與采集系統(tǒng)3部分組成。爆轟管道為內(nèi)徑50 mm、壁厚3.5 mm、總長(zhǎng)2 800 mm的B系列無縫鋼管，由一段驅(qū)動(dòng)段(長(zhǎng)1 300 mm)和兩段測(cè)試段(分別長(zhǎng)900、600 mm)組成，管段之間通過法蘭A、B連接。驅(qū)動(dòng)段起始端采用點(diǎn)火能量約為200 J的電點(diǎn)火頭點(diǎn)火，并設(shè)置長(zhǎng)600 mm、螺距50 mm的Shchelkin螺旋管(阻塞率0.43)以使點(diǎn)火后火焰加速，使爆燃迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。

圖1 全阻塞障礙物氣相爆轟實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus for gaseous detonation with blocking obstacles

采用雙層聚丙烯薄膜(靜態(tài)破裂壓力約為33 kPa)作為全阻塞障礙物，布置于驅(qū)動(dòng)段與測(cè)試段法蘭A或兩測(cè)試段法蘭B處。需要說明的是，當(dāng)在法蘭B處安裝障礙物時(shí)，為了區(qū)分驅(qū)動(dòng)段與測(cè)試段，在A處同時(shí)安裝單層薄膜，即管道被薄膜分為驅(qū)動(dòng)段、測(cè)試段1、測(cè)試段2等3個(gè)區(qū)域。

驅(qū)動(dòng)段內(nèi)始終采用C2H2+2.5O2預(yù)混氣體作為驅(qū)動(dòng)氣，采用不同氬氣稀釋濃度的C2H2+2.5O2+nAr預(yù)混氣體作為測(cè)試氣體。需要說明的是，當(dāng)A處安裝障礙物時(shí)，薄膜前的驅(qū)動(dòng)氣體一直為驅(qū)動(dòng)氣不能變換。B處安裝障礙物時(shí)，驅(qū)動(dòng)段內(nèi)氣體依然不變，但測(cè)試段1與測(cè)試段2內(nèi)氣體的氬氣稀釋濃度可變化。采用分壓法配置預(yù)混氣體，并充入驅(qū)動(dòng)氣罐和預(yù)混氣罐內(nèi)。實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)管路抽真空至0.5 kPa(絕對(duì)壓力)，然后向驅(qū)動(dòng)段及測(cè)試段充入驅(qū)動(dòng)氣及預(yù)混氣。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用氬氣吹掃管道。

圖2 光電二極管電壓上升曲線Fig.2 Voltage rise curves of photodiodes

圖3 高氬氣稀釋濃度下穩(wěn)態(tài)氣體爆轟波胞格Fig.3 Cellular structures of stable mixtures with high argon concentration

圖4 爆轟失效條件下的煙熏薄膜Fig.4 Smoke film under detonation failure

1.2 測(cè)試及采集方法

預(yù)混氣體發(fā)生爆轟時(shí)，理論上爆轟波傳播速度與化學(xué)反應(yīng)區(qū)(火焰鋒面)傳播速度數(shù)值相等。因此，通過測(cè)量火焰鋒面，即可獲得爆轟波傳播速度。火焰鋒面的測(cè)量通過光敏二極管實(shí)現(xiàn)。在管道壁面距點(diǎn)火端1 200 mm至管道末端以100 mm間距(N1～N3間距為150 mm)布置光電二極管N1～N16，見圖1。當(dāng)爆轟波通過光電二級(jí)管時(shí)，緊隨爆轟波的火焰鋒面向外輻射可見光激發(fā)光電二極管，采集系統(tǒng)會(huì)采集到電壓上升信號(hào)。通過獲得相鄰測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，即可計(jì)算相鄰測(cè)點(diǎn)中間位置平均化學(xué)反應(yīng)區(qū)速度。

實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，由于火焰光的輻射，光電二極管會(huì)在火焰鋒面到達(dá)該測(cè)點(diǎn)位置前產(chǎn)生微弱電壓信號(hào)。隨著火焰鋒面的靠近，電壓信號(hào)逐漸增強(qiáng)。因此，若采用較低電壓值作為火焰鋒面到達(dá)該測(cè)點(diǎn)的判定依據(jù)偏差較大。并且當(dāng)電壓信號(hào)超過2 500 mV時(shí)，電壓信號(hào)響應(yīng)逐漸遲緩。綜合考慮上述因素，采用U=2 000 mV作為火焰鋒面到達(dá)該測(cè)點(diǎn)的時(shí)間判據(jù)，如圖2所示。獲得火焰鋒面到達(dá)相鄰兩側(cè)點(diǎn)的時(shí)間差后，即可依據(jù)測(cè)點(diǎn)間距計(jì)算出爆轟波傳播速度。為保證實(shí)驗(yàn)重復(fù)性，每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次以上。使用計(jì)算機(jī)控制點(diǎn)火與數(shù)據(jù)采集過程，利用16通道高頻數(shù)據(jù)采集裝置采集光電二級(jí)管的電壓信號(hào)，單通道采樣頻率為500 kS/s。

利用煙跡法記錄爆轟波胞格結(jié)構(gòu)。在管道內(nèi)安裝煙熏過的耐高溫聚丙烯薄膜可以獲得爆轟波胞格結(jié)構(gòu)，見圖3(p0=8 kPa, C2H2+2.5O2+80%Ar)。通過胞格結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步分析爆轟波ZND結(jié)構(gòu)、胞格尺寸λ、爆轟失效判據(jù)等問題。當(dāng)爆轟失效時(shí)，煙熏薄膜上無明顯胞格，僅出現(xiàn)橫紋痕跡，見圖4。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 管道內(nèi)驅(qū)動(dòng)段爆轟波自持傳播

管道內(nèi)薄膜障礙物前預(yù)混氣體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自持爆轟是本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)條件。穩(wěn)定自持爆轟的形成可以通過障礙物前各測(cè)點(diǎn)爆轟波平均速度與C-J(Chapman-Jouguet)理論爆轟速度對(duì)比判斷。當(dāng)薄膜障礙物布置在A位置時(shí)，選取測(cè)點(diǎn)為N1、N2；當(dāng)薄膜障礙物布置在B位置時(shí)，選擇測(cè)點(diǎn)為N7～N10。表1為在管道內(nèi)不同位置(A或B)布置障礙物時(shí)，不同初始?jí)毫0、薄膜后不同氬氣稀釋濃度下障礙物前各測(cè)點(diǎn)爆轟波平均傳播速度v與理論爆轟C-J速度vCJ對(duì)比。

表1 薄膜前爆轟波傳播速度實(shí)驗(yàn)值與理論值對(duì)比

由表1可知，在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，無論障礙物布置在A或B處，薄膜前各測(cè)點(diǎn)爆轟波平均速度與C-J理論速度的比值在0.97～1.00之間。由于內(nèi)徑50 mm管道內(nèi)爆轟臨界壓力pc約為3.0 kPa，這說明當(dāng)初始?jí)毫?30～50 kPa)遠(yuǎn)高于臨界壓力時(shí)，爆轟波將以穩(wěn)態(tài)形式傳播，傳播速度與C-J爆轟速度vCJ基本相等。因此，本實(shí)驗(yàn)條件下氣相爆轟波達(dá)到薄膜障礙物前為穩(wěn)態(tài)傳播狀態(tài)。高遠(yuǎn)等[12]研究發(fā)現(xiàn)，即使在較低初始?jí)毫ο拢钥焖俨▌?dòng)式、結(jié)巴式傳播的爆轟波與vCJ的比值也在0.80～1.00之間。因此，絕大部分情況下管道內(nèi)的一維氣相爆轟速度可以利用C-J爆轟理論進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

2.2 全阻塞障礙物對(duì)管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)爆轟波的影響

圖5 聚丙烯薄膜A后的爆轟波速度特性Fig.5 Velocity characteristics of detonation wave after polypropylene film A

當(dāng)薄膜障礙物安裝在法蘭A處，薄膜前采用C2H2+2.5O2預(yù)混氣體作為驅(qū)動(dòng)氣，薄膜后采用不同氬氣稀釋濃度的C2H2+2.5O2+nAr預(yù)混氣體作為測(cè)試氣體。圖5為氬氣稀釋濃度為30%下，初始?jí)毫?0、10 kPa時(shí)爆轟管道內(nèi)不同位置爆轟波傳播速度的變化。由圖5可知，穩(wěn)態(tài)自持爆轟波傳播至A處障礙物時(shí)，傳播速度急劇下降至最低值約740 m/s，該速度顯著低于當(dāng)?shù)芈曀?，爆轟波解耦失效，隨后重新加速再次達(dá)到C-J爆轟速度。當(dāng)初始?jí)毫?0 kPa時(shí)，速度最低值vmin約為1 850 m/s，爆轟波速度下降幅度不大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)降低初始?jí)毫蛱岣邭鍤庀♂対舛?，薄膜作用下爆轟波速度最小值vmin不斷減小。當(dāng)vmin達(dá)到某一臨界值時(shí)，vmin減小幅度出現(xiàn)顯著的不連續(xù)。由此推斷，當(dāng)初始?jí)毫驓鍤庀♂対舛冗_(dá)到一定值時(shí)，爆轟波在薄膜后的傳播形式發(fā)生了改變。

在薄膜障礙物A后管道內(nèi)壁布置煙膜，圖6、7分別為氬氣稀釋濃度為30%的條件下，初始?jí)毫?0、10 kPa時(shí)記錄到的胞格結(jié)構(gòu)。圖6所示的胞格結(jié)構(gòu)與爆轟波不穩(wěn)定傳播時(shí)完全不同，爆轟波胞格似乎向“氣泡”轉(zhuǎn)化。當(dāng)爆轟波通過聚丙烯薄膜時(shí)，爆轟波的ZND結(jié)構(gòu)遭受沖擊，爆轟波胞格變得雜亂。煙膜未捕捉到爆轟失效證據(jù)，說明爆轟波以速度虧損形式傳播。當(dāng)初始?jí)毫?0 kPa時(shí)，見圖7，爆轟波穿過薄膜障礙物時(shí)，爆轟波胞格結(jié)構(gòu)消失，爆轟波結(jié)構(gòu)解耦并失效。在一段距離后，爆轟波再次形成。

圖6 速度虧損過程的煙熏薄膜痕跡Fig.6 Smoke film of velocity deficit

圖7 DDT過程的煙熏薄膜Fig.7 Smoke film of deflagration-to-detonation transition

在兩段測(cè)試段間法蘭B處安裝薄膜障礙物，在薄膜前后p0=10～50 kPa條件下使用n=(0～50)%氬氣稀釋濃度的預(yù)混氣體開展實(shí)驗(yàn)，獲得爆轟波通過障礙物后的最小速度vmin，如表2所示。在速度最小測(cè)點(diǎn)附近安裝煙熏薄膜并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，利用獲得的爆轟波胞格結(jié)構(gòu)確定爆轟是否失效，并用紅線區(qū)分速度虧損與爆轟失效2種結(jié)果。由表2可知，在較高氬氣稀釋濃度或較低實(shí)驗(yàn)初始?jí)毫ο?，爆轟波通過薄膜障礙物后會(huì)失效。

因此，爆轟波通過全薄膜障礙物(rb=1)的傳播形式分為2種：(1)低初始?jí)毫蚋邭鍤庀♂対舛认?，發(fā)生爆轟失效；(2)高初始?jí)毫虻蜌鍤庀♂対舛认?，發(fā)生速度虧損。現(xiàn)有研究表明，爆轟波通過rb<1的障礙物的傳播形式也分為2種:(1)速度下降導(dǎo)致爆轟失效；(2)障礙物或粗糙壁面為爆轟低速傳播提供一種機(jī)制。對(duì)比2種結(jié)果可知，爆轟波穿過全阻塞障礙物后的傳播形式與固定障礙物類似。

2.3 重新加速后的過驅(qū)爆轟階段

爆轟波穿過障礙物后，原有的自持爆轟現(xiàn)象迅速衰減，傳播速度下降，爆轟失效或者發(fā)生速度虧損后的低速爆轟波將在一段距離內(nèi)重新達(dá)到自持爆轟，如圖5所示。無論是經(jīng)歷DDT過程或者以速度虧損過程達(dá)成的自持爆轟都會(huì)形成一個(gè)短暫的過驅(qū)爆轟。但這2種情況下的傳播機(jī)制并不相同。(1)對(duì)于DDT過程，引起過驅(qū)爆震現(xiàn)象相關(guān)機(jī)理基本上已經(jīng)達(dá)成共識(shí)[2]：化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)湍流程度顯著增加，化學(xué)反應(yīng)區(qū)的局部爆炸中心重新產(chǎn)生沖擊波，通過由能量釋放導(dǎo)致的激波放大機(jī)制，沖擊波經(jīng)過一個(gè)放大過程形成過驅(qū)爆震波。(2)對(duì)于速度虧損形式傳播的爆轟波，其傳播速度顯著小于vCJ。全阻塞障礙物不能持續(xù)作用于低速爆轟，爆轟低速傳播無法維持，其傳播速度將在很短距離內(nèi)再次達(dá)到vCJ并形成短暫的過驅(qū)爆轟過程，如圖5所示。

圖8 聚丙烯薄膜B前后的爆轟波速度特性Fig.8 Velocity characteristics of detonation wave near polypropylene film B

2.4 氣相爆轟波在全阻塞管道內(nèi)的傳播過程

預(yù)混氣體被點(diǎn)燃后，氣相爆轟波在管道內(nèi)全阻塞障礙物前后的傳播可分為3個(gè)階段，如圖8所示。階段1：預(yù)混氣體在驅(qū)動(dòng)段迅速達(dá)到自持爆轟。爆轟波在管道內(nèi)以vCJ前進(jìn)，此階段為爆轟波的自持傳播階段。階段2：爆轟波在障礙物阻擋作用下速度迅速降低。根據(jù)速度降低后的行為，可分為2種情況：(1)爆轟波波頭受到障礙物沖擊但燃燒機(jī)制并未失效，爆轟以小于vCJ的速度低速傳播，為速度虧損階段；(2)爆轟波受到?jīng)_擊之后，爆轟波波頭結(jié)構(gòu)無法維持，爆轟波失效并將經(jīng)歷DDT過程，此階段為爆轟失效階段。階段3：無論爆轟波是否發(fā)生解耦，爆轟波在管道內(nèi)再次形成穩(wěn)態(tài)爆轟之前都會(huì)發(fā)生短暫的過驅(qū)爆轟，此階段為過驅(qū)爆轟階段。經(jīng)過這3個(gè)階段之后，爆轟波速度重新穩(wěn)定在vCJ附近。氣相爆轟完成了從一個(gè)預(yù)混區(qū)域向另一個(gè)預(yù)混區(qū)域的傳播。

3 結(jié) 論

在圓形管道內(nèi)開展了全阻塞障礙物對(duì)爆轟波傳播影響的實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)結(jié)論如下:(1)在遠(yuǎn)離失效條件下，C-J爆轟理論是計(jì)算爆轟波傳播速度的理想方法;(2)爆轟波穿過全阻塞薄膜障礙物后的傳播形式有爆轟失效、速度虧損2種，與爆轟波穿過固定障礙物傳播特性類似;(3)管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)氣相爆轟波通過全阻塞障礙物過程可分為3個(gè)階段,穩(wěn)態(tài)傳播階段、速度虧損或爆轟失效階段、過驅(qū)爆轟階段。

若將管道的驅(qū)動(dòng)段看作點(diǎn)火源，以速度虧損形式和爆轟失效形式形成的爆轟與爆轟起爆中的直接起爆過程和DDT過程非常類似。由此推斷爆轟直接起爆過程中很可能存在著某些因素與爆轟波在速度虧損條件下傳播相關(guān)。但是，爆轟波在此類速度虧損條件下傳播的相關(guān)燃燒與傳播機(jī)理問題并未解決[13]。相關(guān)問題的解決仍需研究不斷深入。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Influences of blocked obstacles on propagation of gaseous detonation in pipeline

Yu Jianliang, Zhang Dong, Yan Xingqing

(SchoolofChemicalMachineryandSecurity,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)

An experimental circular pipeline with a length of 2 800 mm and a diameter of 50 mm was established to study the gaseous detonation propagation. Photodiode detectors were used to obtain the flame propagation velocity and the smoke film method to get the cellular structures. Polypropylene films with the blocking rate of 1.0 were set in the pipeline to investigate the characteristics of detonation velocity and cellular structures. Gaseous mixtures of C2H2+ 2.5O2diluted by argon in different volumes were used as experimental medium. The initial pressures varied in experiments. Results show that there are two different propagation forms after the detonation wave passes through the film obstacles, including velocity deficit and detonation failure. The propagation of gaseous detonation wave in blocked obstructions can be divided into three stages: stage of steady propagation, stage of velocity deficit or detonation failure and stage of overdriven detonation.

detonation wave; blocking obstacles; velocity deficit; detonation failure

10.11883/1001-1455(2017)03-0447-06

2015-09-17；

2015-12-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51574056)

喻健良(1963— )，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師， yujianliang@dlut.edu.cn。

O381 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

A