高玉坤, 王樹祎, 趙煥娟, 嚴屹然

(北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室, 礦山避險技術(shù)研究中心， 北京 100083 )

爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)記錄實驗管道裝置系統(tǒng)

高玉坤, 王樹祎, 趙煥娟, 嚴屹然

(北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室, 礦山避險技術(shù)研究中心， 北京 100083 )

針對管道中的爆轟設計了一種可以記錄管道里爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實驗方法及管道裝置系統(tǒng)，使用煙熏玻璃及煙膜完整地記錄管道內(nèi)部橫波結(jié)構(gòu)。該管道裝置系統(tǒng)主要由測試主體管、煙熏玻璃、煙膜和開槽法蘭組成。在主體鋼管末端聯(lián)接開槽法蘭，并在開槽處安裝密封橡膠圈，在管道抽真空過程中將煙熏玻璃對準末端，并保證密封。同時，在內(nèi)部管壁放置煙膜，完整地記錄傳播軌跡，并進行重復實驗。利用設計的管道裝置進行觀測實驗，掃描實驗后的煙熏玻璃，獲得了可進行分析的爆轟橫波結(jié)構(gòu)圖。該管道裝置系統(tǒng)靈活可靠，為記錄爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了可操作、可靠的實驗方法，對爆轟機理的研究起到重要推動作用。

爆轟； 內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 管道系統(tǒng)； 實驗方法

0 引 言

自然界中的大部分燃燒是在分子擴散及熱傳導機制的作用下進行的，其產(chǎn)生的燃燒波傳播速度緩慢。然而爆轟波在預混氣中能以超聲速甚至高超聲速傳播，且具有自持燃燒特性，可借助燃燒釋放的化學能實現(xiàn)自持傳播[1-2]。爆轟反應伴隨著大量能量釋放，在其反應區(qū)前沿形成超聲速的激波，即爆轟波[3-6]。韓桂來等[7]指出自持爆轟波一般都具有復雜的三維結(jié)構(gòu)，稱為胞格結(jié)構(gòu)。而目前廣泛研究的螺旋爆轟只是圓管中模數(shù)為1的胞格。使用煙熏過的煙膜來記錄爆轟的胞格結(jié)構(gòu)也成為主要的爆轟現(xiàn)象研究手段。實際上，環(huán)繞在管子內(nèi)壁的煙膜上僅僅記錄了爆轟面外圈上的三波點經(jīng)過的路徑。由于實驗方法的限制，目前爆轟結(jié)構(gòu)的研究大部分是對管壁處的螺旋爆轟結(jié)構(gòu)進行觀測，但是其內(nèi)部發(fā)展規(guī)律少有涉及。

若要確定離管壁較遠處靠近管軸的前導激波面形狀，可把煙膜垂直于管軸放置，這樣爆轟面會在該煙膜上發(fā)生反射。然而對于把來自螺旋爆轟波反射的激波相交記錄在端面煙膜面上這一復雜過程的機理至今為止尚不清楚[8]。

Voitsekovskii等[9]嘗試給出螺旋爆轟面單頭、雙頭和四頭螺旋爆震的橫波運動，但對于更高頻的螺旋爆轟，描述橫波運動穿過爆轟面將會非常困難，需要實驗結(jié)果的支持。因而如何清晰、靈活可靠地記錄爆轟面的結(jié)構(gòu)是亟待解決的問題。

本文提出了一種能夠記錄爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的管道裝置系統(tǒng)，闡述了此裝置的組成與工作原理，指出了管道系統(tǒng)的參數(shù)特征，并給出了運用此裝置進行爆轟觀測實驗的具體實驗步驟和結(jié)果。

1 管道系統(tǒng)的組成與工作原理

1.1 管道系統(tǒng)組成

依據(jù)實驗裝置必須具有可靠性、環(huán)境適應性以及實驗結(jié)果應具有可重現(xiàn)性的原則[10]，設計制作了一種能夠記錄爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的管道裝置系統(tǒng)，如圖1所示。

1～8—探針安裝塞， 9—金屬管子， 10—煙膜， 11—開槽法蘭， 12—煙熏玻璃， 13—海綿， 14—木板， 15—密封橡膠圈， 16—固定夾具

圖1 爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)記錄管道的結(jié)構(gòu)示意圖

管道系統(tǒng)有引爆段、實驗段以及末端固定的玻璃結(jié)構(gòu)。測試主體管的一端通過法蘭密封;另一端設有開槽法蘭。管壁上開有用于安裝檢測裝置的若干通孔，通孔上均設有密封塞。主體管的內(nèi)部靠近開槽法蘭一端設置煙膜，且煙膜的高度等于管道內(nèi)徑。煙熏玻璃安裝在木板上，通過夾子與開槽法蘭固定，且開槽法蘭與煙熏玻璃的接觸面之間設有橡膠圈[11-13]。

(1) 測試主體管。管道為不銹鋼制成，其內(nèi)徑50.8～1 000 mm。管壁上安裝的檢測裝置包括單片機和探針或傳感器，其中探針或傳感器安裝在通孔內(nèi)，單片機通過數(shù)據(jù)線與之連接。

(2) 煙熏玻璃。所用玻璃厚度為4～6 mm，其制造和安裝過程如下：

① 煙熏玻璃的制造。熏制設備主要包括煤油燈、濾網(wǎng)和覆蓋物，如圖2所示。煙熏玻璃為正方形，尺寸與開槽法蘭的直徑一致，熏制前應清洗干凈。覆蓋物中間挖空，挖空尺寸為管道內(nèi)徑。濾網(wǎng)材質(zhì)為鋼鐵，孔隙為1 mm，安置在煤油燈上方，以過濾顆粒度過大的煙塵。熏制前用酒精擦拭干凈玻璃，待擦干后點燃煤油燈進行熏烤。全程為保證熏烤均勻，用紙板遮蓋所需煙跡的外圍。同時，熏制過程中應勻速移動玻璃使碳附著均勻，煙跡定型，從而制造出與管道內(nèi)徑尺寸一致的圓圈，保證玻璃上的煙跡與管道內(nèi)徑一致。煙熏玻璃只保留中心處管道內(nèi)徑相同大小的圓形煙跡，熏制完成后須用試驗用紙及酒精將空白位置擦拭干凈，以免影響密封。

1—煙熏區(qū)域， 2—覆蓋物， 3—濾網(wǎng)， 4—煤油燈

圖2 煙熏裝置示意圖

② 煙熏玻璃的安裝。首先計算出玻璃煙跡高度與管道內(nèi)徑的差值，調(diào)整安裝平臺的位置使煙跡與管道內(nèi)徑對齊。然后將管道抽成真空，在該過程中，煙熏玻璃應對準管道內(nèi)徑放置。由于玻璃與柔性橡膠圈相接觸，在抽真空的過程中玻璃會吸附其上。此時須加1個木板，并用4個夾子將法蘭、玻璃與木板固定，保證兩者受力均勻，且木板與玻璃的接觸面應黏有海綿，以防止應力集中導致玻璃產(chǎn)生裂紋或發(fā)生破碎。

(3) 煙膜。煙膜的高度等于測試主體管內(nèi)徑長度，寬度小于或等于管道內(nèi)徑周長。其厚度的選取應基于初始壓力：初始壓力低于8 kPa，厚度采用0.4 mm；初始壓力低于12 kPa，厚度采用0.6 mm；初始壓力高于12 kPa，厚度采用1 mm。

(4) 開槽法蘭。開密封槽的法蘭安裝或焊接在測試主體管斷面，開槽處安裝密封圈保證系統(tǒng)密封。

1.2 實驗裝置的工作原理

可燃氣體發(fā)生爆轟，產(chǎn)生的爆轟波在管道中傳播。實驗完成后取下末端玻璃，上面的痕跡記錄下了這一位置在橫波到達時的內(nèi)部橫波軌跡。端面煙膜記錄了折痕從壁面朝著管軸向內(nèi)延伸的過程。煙膜上顯示的精細結(jié)構(gòu)是反射激波掃過經(jīng)激波壓縮后的反應物而造成的，這些反應物在折痕入射激波后方的誘導區(qū)內(nèi)[14]。

1.3 實驗裝置使用要點

此管道裝置系統(tǒng)適用于爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)記錄實驗，在實驗中應注意以下要點：

(1) 同一初始壓力條件下的爆轟實驗須重復3次以上，確認實驗的重復性后，所得結(jié)果才可使用。

(2) 此裝置適用于不同種類預混氣在不同初始條件下的爆轟實驗。初始壓力數(shù)值改變時應調(diào)整玻璃的厚度，4 mm厚的玻璃僅可用于初始壓力低于8 kPa的實驗條件，6 mm厚的玻璃可滿足初始壓力不高于15 kPa的實驗。

2 爆轟觀測模擬實驗

選用成分為2H2+O2+50%Ar的預混氣和C2H2-O2的引爆氣，在3 kPa的初始壓力條件下，按下述步驟進行爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測實驗：

步驟1先將測試主體管兩端密封，檢查其密封性。確認管道密封性良好后，將主體管的一端通過法蘭密封，另一側(cè)末端放入煙膜，并保證放置過程中煙膜無旋轉(zhuǎn)。在管道的另一端安裝開槽法蘭，同時將煙熏玻璃置于木板上。

步驟2制備成分為2H2+O2+50%Ar的預混氣和C2H2-O2的引爆氣，靜置24 h使之充分預混。

步驟3熏制玻璃及煙膜。用酒精擦拭干凈玻璃，待酒精干后用煤油燈進行熏烤，熏制過程中使用紙板遮蓋所需煙跡外圍，勻速移動玻璃使碳附著均勻，熏烤結(jié)束后用試驗用紙和酒精擦拭空白位置。

步驟4對步驟1組裝后的測試主體管進行抽真空處理，將煙熏玻璃的煙跡對準測試主體管設有開槽法蘭的末端開口上，此時橡膠密封圈的柔性加之管道內(nèi)外因抽真空產(chǎn)生的壓力差將煙熏玻璃壓在橡膠密封圈上。然后繼續(xù)抽真空，使用夾子將木板、緩沖海綿、煙熏玻璃和開槽法蘭四者固定。依次充入實驗氣體2H2+O2+50%Ar及引爆氣C2H2-O2，點火，爆轟結(jié)束后再次抽真空，將抽出氣體平穩(wěn)緩慢地放入大氣，扶住木板，拆卸夾子，之后取下木板及留有軌跡的煙熏玻璃，最后取出管中留有軌跡的煙膜。

將實驗后的煙熏玻璃和煙膜進行掃描，即得到該實驗氣體清晰的爆轟面結(jié)構(gòu)[15]。圖3給出了一組實驗結(jié)果，圖像清晰可靠。爆轟實驗過程中，通過測試主體管上的探針或傳感器記錄下爆轟面到達的時間，結(jié)合探針位置即可計算出爆轟速度。

1—爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)軌跡， 2—爆轟管壁軌跡

圖3 煙膜及玻璃煙跡結(jié)果示意圖

3 結(jié) 語

設計制作了用于觀測爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的管道裝置系統(tǒng)，此裝置在記錄爆轟速度、管壁橫波結(jié)構(gòu)的基礎上，能夠靈活可靠地記錄管道內(nèi)部的爆轟結(jié)構(gòu)。實驗測試證明，該管道系統(tǒng)安裝方便，便于調(diào)整，廣泛適用于不同初始壓力條件及預混氣種類的爆轟觀測實驗，能夠可靠地給出清晰、便于記錄的爆轟內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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ExperimentalPipingSystemsforRecordingtheInternalStructureofDetonation

GAOYukun,WANGShuyi,ZHAOHuanjuan,YANYiran

(State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education； Mine Emergency Technology Research Center; University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

It is an important method to study the mechanism of detonation by observing its internal structure. An experimental method and a piping system are designed for recording the internal structure of detonation. The systemcan record the structure of transverse wave with smoked glass and smoked filminside the pipeline. The piping system consists mainly of primary tube for test, smoked glass, smoked film and slotted flange. The slotted flange is connected at the end of the primary tube with the sealed rubber ring installed at the slot. In addition, the smoked glass is aligned with the end during the evacuation of the pipe,itsaim is to ensure theseal. Meanwhile, the smoked film is placedon the inner wall of the tube, to completely record the propagation trajectory.The experimentwas repeated. The observation experiment was carried out by using the designed piping device.Moreover, scanning the smoked glass after the experiment, the detonation transverse wave structure diagram was obtained. The pipeline system is flexible and reliable, canprovidean operational and reliable experimental method for recording the internal structure of detonation, which plays an important role in the research of detonation mechanism.

detonation; internal structure; piping systems; experimental method

TD 77+4; O 381

A

1006-7167(2017)11-0048-03

2017-03-13

國家自然科學基金資助項目(E041003)； 中國博士后科學基金資助項目(2015M580049)

高玉坤(1983-)，男，山東膠州人，博士，高級工程師，從事安全工程的實驗教學管理工作。

Tel.:18911699307； E-mail:gaoyukunustb@126.com