趙煥娟，藥慧妹，林 敏，蕭星宇，王家俊

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)試驗(yàn)室--省部共建國家重點(diǎn)試驗(yàn)室培育基地，河南焦作 454003 3.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191 4.麥吉爾大學(xué)機(jī)械學(xué)院，蒙特利爾，QC H3A 0G4)

1 研究背景

爆轟波是一種以超聲速或高超聲速傳播的燃燒波，在某些可燃介質(zhì)中的傳播速度甚至高達(dá)每秒幾千米，并維持穩(wěn)定的激波強(qiáng)度[1-2]。開展爆轟波的臨界條件研究具有重要意義。能源安全領(lǐng)域無可避免地涉及各種爆燃爆轟形態(tài)[3]，爆轟波的形成是許多重大事故不可忽視的重要原因之一，也是研究事故發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容。此外，隨著對(duì)爆轟形成過程和傳播機(jī)理的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，利用爆轟釋放的巨大能量可以將其高破壞性轉(zhuǎn)化為強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力，更高效地解決工程實(shí)際中的某些問題，如沖壓加速發(fā)射技術(shù)、常規(guī)兵器、高能碰撞、超高速動(dòng)力試驗(yàn)等[4-6]。

爆轟胞格結(jié)構(gòu)是氣相爆轟機(jī)理研究的基礎(chǔ)[7-9]，受邊界條件影響，與初始?jí)毫Α⒈Z極限、爆轟速度等條件有關(guān)，研究過程通常采用數(shù)字圖像處置技術(shù)。T. P. Gavrilenko等[10]采用C2H2+O2，設(shè)計(jì)臨界直徑為25 mm，初始?jí)毫?.200 kPa的試驗(yàn)，記錄爆轟波逐步收斂的過程發(fā)現(xiàn)，爆轟波向中心匯聚時(shí)，小半徑處某些相鄰軌跡會(huì)合并，橫波數(shù)量略有減少。喻建良等[11]利用內(nèi)徑12.7 mm，管長(zhǎng)3.5 m的圓形截面管道，研究了初始?jí)毫?0，18，14，12，8 kPa時(shí)管道中甲烷與氧氣混合氣體爆炸火焰的傳播速度及爆轟波胞格結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)初始?jí)毫Σ煌瑫r(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同的火焰?zhèn)鞑ツＪ?，其胞格結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生變化。Lee等[12]在研究Shepherd等算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了軌跡圖片的數(shù)字處理。趙煥娟等[13]使用自相關(guān)方法研究了穩(wěn)定氣與不穩(wěn)定氣的手繪胞格結(jié)構(gòu)圖案，使用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析煙膜結(jié)果，將三波點(diǎn)軌跡分成左向和右向波進(jìn)行后續(xù)分析。

C2H2燃燒速度較快，與O2在當(dāng)量比為1∶2.5混合的情況下容易形成爆轟。Ar性質(zhì)穩(wěn)定，是最常用的惰性氣體，可作為稀釋劑[14]。加入Ar后進(jìn)一步提高預(yù)混氣爆轟的穩(wěn)定性，可得到較為規(guī)則的胞格結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)內(nèi)徑3.2 mm，長(zhǎng)500 mm的驅(qū)動(dòng)段鋼管和直徑32 mm鋼化玻璃試驗(yàn)臺(tái)，開展C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣在初始?jí)毫Ψ謩e為55，45，40，30 kPa時(shí)的爆轟試驗(yàn)，并采用高速攝影技術(shù)記錄爆轟瞬間產(chǎn)生的端面胞格結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比研究4個(gè)初始?jí)毫ο碌陌窠Y(jié)構(gòu)和臨界條件，剖析初始?jí)毫?duì)發(fā)散圓柱形爆轟波結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)為后續(xù)研究圓柱形爆轟的臨界條件增加例證。

2 爆轟試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

驅(qū)動(dòng)段鋼管的臨界管徑與胞格尺寸存在定量線性關(guān)系。張博等[15]研究得到C2H2+2.5O2和不同濃度預(yù)混氣作為燃料時(shí)的爆轟臨界管徑和胞格尺寸關(guān)系。臨界起爆能量的預(yù)測(cè)模型依賴于爆轟臨界管徑，當(dāng)預(yù)混氣體初始?jí)毫Σ蛔?，隨著管道內(nèi)徑的減小，在管道內(nèi)傳播的爆轟波的平均速度將降低[16]。這是由于初始?jí)毫Σ蛔儠r(shí)，管徑小的管道邊界層所占比例較大，邊界層因能量損失多致使爆轟波的傳播速度降低。

為控制爆轟速度，設(shè)定試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)段鋼管內(nèi)徑為3.2 mm，長(zhǎng)500 mm，鋼化玻璃板直徑為32 mm。試驗(yàn)裝置主要包括控制面板、充氣裝置、鋼化玻璃、輸氣管道，如圖1所示。采用控制面板調(diào)節(jié)試驗(yàn)進(jìn)程：①輸入氣體后，用真空泵將多余的預(yù)混氣抽出；②關(guān)閉真空泵，用點(diǎn)火塞點(diǎn)火，燃燒氣體經(jīng)管道傳輸至鋼化玻璃板，在有間隙的鋼化玻璃板之間形成爆轟的胞格結(jié)構(gòu)。圖2所示為驅(qū)動(dòng)段鋼管實(shí)物。

圖1 試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)裝置氣密性檢查

鋼化玻璃板由密封橡膠圈保證玻璃板氣密性，木板起到支撐玻璃板的作用。利用緩慢升壓后穩(wěn)壓再繼續(xù)升壓的方式抽真空分段檢查管道組件、法蘭、閥門及焊縫嚴(yán)密性，如壓力不降、無泄漏，則嚴(yán)密性試驗(yàn)合格。如果發(fā)現(xiàn)泄漏問題，應(yīng)及時(shí)減壓排氣，修補(bǔ)缺陷后重復(fù)檢查。校準(zhǔn)分壓，反復(fù)調(diào)試裝置確保安全。

圖2 裝置實(shí)物

2.3 C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣制備

以分壓的方式在高壓瓶?jī)?nèi)制備預(yù)混氣，經(jīng)由控制面板將氣體分別輸入到充配氣系統(tǒng)的預(yù)混氣高壓瓶中，充罐后預(yù)混氣靜置24 h以上，使罐內(nèi)不同氣體混合均勻。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在爆轟試驗(yàn)臺(tái)輸入C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣后，關(guān)閉預(yù)混氣閥門，將多余預(yù)混氣抽真空，關(guān)閉真空泵，點(diǎn)火后放電。在點(diǎn)火瞬間，利用持續(xù)曝光相機(jī)和補(bǔ)償式條紋相機(jī)記錄氣體爆轟波在初始?jí)毫?0 kPa逐漸降至24 kPa下的胞格結(jié)構(gòu)，獲得爆轟波從穩(wěn)態(tài)傳播到逐漸失效的過程。

反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始?jí)毫Φ陀?9 kPa后，高速攝影機(jī)無法捕捉到爆轟現(xiàn)象，可知爆轟波在該管道內(nèi)失效時(shí)的臨界壓力為29 kPa。為觀察初始?jí)毫?duì)圓柱形爆轟胞格結(jié)構(gòu)的影響，選取55，45，40，30 kPa為初始?jí)毫M(jìn)行多次試驗(yàn)，獲得端面胞格結(jié)構(gòu)如圖3。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，爆轟胞格為由內(nèi)向外擴(kuò)散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中心均為黑色實(shí)心圓，沒有形成胞格結(jié)構(gòu)。當(dāng)初始?jí)毫?5 kPa時(shí)，端面爆轟胞格十分規(guī)則，半徑內(nèi)小外大，呈向外擴(kuò)散的形態(tài)，胞格尺寸近似不變，且胞格較小，數(shù)量較多。初始?jí)毫?5 kPa時(shí)，端面的胞格尺寸增加，三波點(diǎn)軌跡在外圈呈鋸齒狀。初始?jí)毫?0 kPa時(shí)，胞格尺寸增加，三波點(diǎn)軌跡的交點(diǎn)減少，更多分布在外圈。初始?jí)毫?0 kPa時(shí)，三波點(diǎn)軌跡交點(diǎn)明顯減少，在圖像中觀察不到明顯的胞格結(jié)構(gòu)。

圖3 不同初始?jí)毫ο碌谋Z胞格

4 結(jié)果分析

4.1 胞格結(jié)構(gòu)與尺寸

在一端封閉一端開口的長(zhǎng)管中點(diǎn)燃預(yù)混氣會(huì)形成燃燒波，正?；鹧?zhèn)鞑サ囊讶細(xì)怏w壓縮未燃混合氣會(huì)產(chǎn)生壓縮波，當(dāng)后面的壓縮波波速大于前面的壓縮波使得壓縮波重疊形成激波。激波不斷接受來自后方已燃?xì)怏w提供的能量進(jìn)而形成穩(wěn)定的爆轟波。爆轟波由入射激波、馬赫桿和橫波構(gòu)成。爆轟波的波陣面是扭曲的和不均勻的，分布著較弱的入射激波和較強(qiáng)的馬赫桿。橫波掃過爆轟波陣面，并與其他的橫波碰撞。在這種碰撞過程中，三波點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)形成魚鱗狀的圖案，稱為胞格。胞格是三維結(jié)構(gòu)，Strehlow等人研究后得到由八面體和兩種四面體組成的三維胞格模型[17]。鋼化玻璃板上呈現(xiàn)的胞格結(jié)構(gòu)主要為魚鱗狀或菱形的圖案。通過高速攝影技術(shù)記錄在爆轟瞬間呈現(xiàn)于鋼化玻璃板上的胞格結(jié)構(gòu)，初始?jí)毫Ψ謩e為30，40，45，55 kPa時(shí)的胞格結(jié)構(gòu)模擬圖如圖4。

圖4 4種初始?jí)毫ο碌哪M胞格結(jié)構(gòu)

胞格尺寸是胞格爆轟的重要參數(shù)，常用于爆轟波直接起爆能量和爆轟衍射臨界管徑的理論分析[18]。以爆轟胞格結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)為圓心，特定傳播半徑[19]的圓與爆轟波波陣面三波點(diǎn)的交點(diǎn)間的平均距離即為該傳播半徑下的胞格尺寸。如圖5所示，a為各初始?jí)毫ο拢瑐鞑グ霃綖?00 mm時(shí)的胞格尺寸。預(yù)混氣成分、起爆能量、初始?jí)毫?、邊界條件等都是胞格尺寸的主要影響參數(shù)。

圖5 各初始?jí)毫ο碌陌癯叽?/p>

從圖3中看出，無論壓強(qiáng)大小，圖案中心均為黑色實(shí)心圓，是由于中心爆轟壓力過大，形成過驅(qū)爆轟，不產(chǎn)生胞格結(jié)構(gòu)。如圖5(d)所示，當(dāng)初始?jí)毫?5 kPa時(shí)，爆轟波胞格十分規(guī)則，胞格尺寸大小近似不變。此時(shí)爆轟波在管道內(nèi)處于穩(wěn)定傳播狀態(tài)，由于初始?jí)毫^大，分子獲得的初始能量較多，更多的活化分子參與反應(yīng)中，提高了分子間的反應(yīng)速率，表現(xiàn)為胞格尺寸較小，數(shù)量較多。且由產(chǎn)生明顯胞格的地方可以看出，靠近柱管道的胞格面積大于圓盤邊緣處的胞格面積，這是由于柱管道邊界處，爆轟波與管壁碰撞摩擦，迅速衰減，導(dǎo)致能量降低，胞格面積變大。

當(dāng)初始?jí)毫档蜁r(shí)，在相同管徑和氣體組分下，爆轟波胞格尺寸逐漸增加，胞格結(jié)構(gòu)越來越不規(guī)則，如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。尤其是圖5(a)，初始?jí)毫?0 kPa時(shí)幾乎看不到清晰的胞格結(jié)構(gòu)。當(dāng)管中初始?jí)毫Σ蛔銜r(shí)，不能產(chǎn)生胞格，爆轟也會(huì)衰減。但是，臨界初始?jí)毫ο碌谋Z在初始階段就趨于衰減，最后爆轟轉(zhuǎn)化為自持爆轟[20-21]。

4.2 初始?jí)毫εc胞格尺寸的關(guān)系

常溫常壓下，大多數(shù)燃料的爆轟胞格尺寸很小，無法得到胞格結(jié)構(gòu)[22]。當(dāng)初始?jí)毫Υ笥诒Z的臨界壓力時(shí)，爆轟可以形成胞格結(jié)構(gòu)，且在不同初始?jí)毫ψ饔孟?，爆轟的胞格尺寸也有較大變化[23]。為進(jìn)一步探究初始?jí)毫εc爆轟波的胞格尺寸的關(guān)系，以爆轟結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)為圓心，取傳播半徑分別為500，600，700 mm，獲得初始?jí)毫Ψ謩e為30，40，45，55 kPa下的平均胞格尺寸，如表1所示。分析得，爆轟波的胞格尺寸與初始?jí)毫Τ守?fù)相關(guān)。初始?jí)毫^大時(shí)，胞格尺寸較??；當(dāng)初始?jí)毫p小時(shí)，胞格尺寸逐漸增大，且隨著壓力的減小，胞格尺寸的變化速率加快，變化幅度增大，如圖6所示。

表1 不同初始?jí)毫l件下胞格尺寸的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 4種不同初始?jí)毫ο碌陌癯叽?/p>

此外，由各傳播半徑下平均距離的方差可知，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，方差逐漸減小，如圖7所示，表明其軌跡交點(diǎn)間的距離數(shù)值分布趨于集中，且接近于平均距離，胞格結(jié)構(gòu)越來越規(guī)則，從所記錄的胞格結(jié)構(gòu)圖可以得到印證。

圖7 4種不同初始?jí)毫ο碌陌癯叽绶讲?/p>

5 結(jié)論

以C2H2+2.5O2+85%Ar作為試驗(yàn)所用的預(yù)混氣，通過在不同初始?jí)毫ο逻M(jìn)行的多次試驗(yàn)，使用高速攝像機(jī)記錄了爆轟胞格結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析得到以下結(jié)論：

a) 初始?jí)毫Ω哂谂R界壓力時(shí)，柱爆轟產(chǎn)生的胞格較為規(guī)則，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且壓力越大，產(chǎn)生的爆轟胞格越??；接近臨界壓力時(shí)，爆轟胞格不明顯；中心爆轟壓力大，處于過驅(qū)爆轟，故柱爆轟中心沒有產(chǎn)生胞格結(jié)構(gòu)。

b) 由于邊界效應(yīng)，爆轟波與管壁碰撞摩擦有能量損失，胞格結(jié)構(gòu)以柱軸為中心大體呈現(xiàn)出內(nèi)小外大的形式。從試驗(yàn)結(jié)果來看，采用初始?jí)毫?5 kPa進(jìn)行柱爆轟可以得到結(jié)構(gòu)清晰、大小規(guī)則的理想胞格結(jié)構(gòu)。