高濃度氬氣稀釋氣體爆轟波臨界管徑和臨界間距關(guān)系

喻健良，高 遠(yuǎn)，閆興清，高 偉

(大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連 116024)

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高濃度氬氣稀釋氣體爆轟波臨界管徑和臨界間距關(guān)系

喻健良，高 遠(yuǎn)，閆興清，高 偉

(大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連 116024)

建立圓管及環(huán)形管道系統(tǒng)研究臨近極限下爆轟波在管道內(nèi)傳播失效機(jī)理。選用C2H2+2.5O2+70%Ar氣體，采用光纖探針測量爆轟波在管道內(nèi)傳播速度，用煙跡法記錄管道內(nèi)爆轟波胞格結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：初始壓力遠(yuǎn)大于爆轟極限壓力時，爆轟波在管道內(nèi)以穩(wěn)定速度傳播；隨著初始壓力的減小，爆轟波速度逐漸降低；當(dāng)初始壓力一定時，爆轟波速度隨著管道尺寸的減小而逐漸減??；當(dāng)初始壓力達(dá)到臨界壓力時，爆轟波在進(jìn)入到管道內(nèi)后其速度會逐漸衰減直至爆轟波完全失效。對于不同幾何尺寸的圓管與環(huán)管，通過引入無量綱參數(shù)d/λ及w/λ(d為圓管管徑，w為環(huán)管間距，λ為爆轟胞格尺寸)得出，爆轟波在管道內(nèi)傳播的臨界圓管直徑為環(huán)形間距的2倍，與理論模型結(jié)果相吻合，驗證了穩(wěn)態(tài)氣體基于爆轟波波面曲率的失效機(jī)理。

爆炸力學(xué)；爆轟極限；臨界直徑；臨界間距；爆轟波波面曲率

爆轟波在管道內(nèi)傳播時需要滿足一定的初始條件(初始壓力、當(dāng)量比等)及邊界條件(管道尺寸、幾何形狀)，若上述條件無法滿足，則爆轟波不能夠在管道內(nèi)自持穩(wěn)定傳播，并最終失效，此時達(dá)到爆轟極限[1]。爆轟極限的研究對深入理解爆轟波在管道內(nèi)的傳播機(jī)理具有重要意義。爆轟波波面是瞬態(tài)三維非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且在傳播過程中會與管道壁面產(chǎn)生相互擾動[2-4]，并導(dǎo)致爆轟波熱量、動量及質(zhì)量的損失[5]。當(dāng)條件接近爆轟極限時，爆轟波的傳播變得非常復(fù)雜且不穩(wěn)定，在介于自持穩(wěn)定傳播與失效之間出現(xiàn)一系列的非穩(wěn)定傳播現(xiàn)象，如：單頭螺旋爆轟、馳振爆轟、低速爆轟等[6-7]。近期研究表明，對于高濃度氬氣稀釋氣體，其化學(xué)反應(yīng)區(qū)具有層流結(jié)構(gòu)且胞格結(jié)構(gòu)非常規(guī)則，可用ZND模型描述其爆轟波結(jié)構(gòu)[8-10]。對于此類氣體，爆轟波波面非穩(wěn)定性對于其傳播影響很小，因此，在研究此類氣體的爆轟極限時，可以忽略爆轟波波面非穩(wěn)定性因素而僅從邊界條件對其傳播影響著手研究爆轟極限[11]。根據(jù)Fay-Dabora理論模型[12]，管道壁面的邊界層效應(yīng)導(dǎo)致爆轟波化學(xué)反應(yīng)區(qū)中的流場擴(kuò)散，使得爆轟波波陣面產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致熱量及動量的損失，從而使得爆轟速度衰減。當(dāng)爆轟波波面曲率達(dá)到某個臨界值時，爆轟波波速特征值不再存在，此時達(dá)到爆轟極限，爆轟波失效。

本文中研究高濃度氬氣稀釋氣體在2種不同幾何形狀(圓管、環(huán)管)管道內(nèi)的傳播現(xiàn)象及爆轟極限，對比分析臨界管徑與臨界間距之間的關(guān)系，進(jìn)一步驗證和闡述高濃度氬氣稀釋氣體爆轟波的失效機(jī)理。

1 實驗裝置

實驗裝置見圖1。圓管爆轟管道由驅(qū)動段和測試段組成(圖1(a))，驅(qū)動段為長1.3 m，內(nèi)徑為70 mm，壁厚4.5 mm的鋼管。測試段為透明的聚碳酸酯塑料管。環(huán)形爆轟管道由驅(qū)動段、過渡段及測試段組成(圖1(b))，其中間距(w)為3.2及5.9 mm的環(huán)形通道通過在內(nèi)徑為50.8 mm的聚碳酸酯塑料管內(nèi)分別插入外徑為44.4與39.0 mm 光滑銅管構(gòu)成。圓管及環(huán)管幾何尺寸見表1～2，其中：L為管道長度，t為管壁厚度，d為圓管內(nèi)徑。由于環(huán)管間距相對于環(huán)管直徑很小，故爆轟波在環(huán)管內(nèi)傳播時，其徑向彎曲曲率對其傳播的影響可以忽略，因此可以將其視為二維通道。采用環(huán)管而不采用矩形管道的優(yōu)點(diǎn)在于，環(huán)管能夠避免矩形管道的邊緣效應(yīng)[11,13]。采用高壓電火花起爆，并在驅(qū)動段內(nèi)靠近起爆端添加一長200 mm的Shchelkin螺旋用以增加對爆炸波的擾動，從而更易在驅(qū)動段內(nèi)形成穩(wěn)態(tài)的爆轟。采用分壓法配置C2H2+2.5O2+70%Ar氣體。研究表明C2H2+2.5O2+70%Ar混合氣體爆轟時具有規(guī)則胞格結(jié)構(gòu)，且化學(xué)反應(yīng)區(qū)具有層流結(jié)構(gòu)[1,4,9]，因此被稱為穩(wěn)定氣體。

圖1 實驗裝置Fig.1 Schematic of the experimental apparatus

實驗前采用真空泵對管道抽真空，使管道內(nèi)的壓力低于10 Pa，然后通過閥門控制加入混合氣體，并通過電子壓力表控制進(jìn)氣量。在驅(qū)動段上安裝PCB壓力傳感器(型號：113B24，響應(yīng)頻率：500 kHz，量程：0～6.9 MPa，輸出電壓：0～5 V)，用以測定爆轟波的壓力和到達(dá)各壓力傳感器的時間，從而計算在驅(qū)動段內(nèi)是否形成并達(dá)到穩(wěn)態(tài)的爆轟波。在測試段管道上等間距布置光纖探針，通過光纖探針測量測試段內(nèi)爆轟波到達(dá)各測點(diǎn)的時間，并計算出爆轟波在相鄰兩測點(diǎn)間的實際傳播速度。通過CEA程序[14]計算混合氣體在該初始狀態(tài)下的理論爆轟CJ速度。采用煙跡法記錄爆轟波在管道內(nèi)胞格變化規(guī)律并測量對應(yīng)條件下胞格尺寸。

表1 圓管幾何尺寸

表2 環(huán)管幾何尺寸

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 爆轟極限臨界壓力的確定

圖2 圓管內(nèi)爆轟波傳播Fig.2 Propagation of detonation wave in the round tube

圖3 環(huán)管內(nèi)爆轟波傳播Fig.3 Propagation of detonation wave in the annular channel

2.2 初始壓力及管道幾何尺寸對爆轟速度的影響

圖4為不同管道內(nèi)，初始壓力與爆轟速度關(guān)系。隨著初始壓力的降低，爆轟波速度逐漸減小，這是由于C2H2+2.5O2+70%Ar穩(wěn)定氣體化學(xué)反應(yīng)區(qū)具有典型的ZND結(jié)構(gòu)。當(dāng)混合氣體初始壓力降低時，爆轟波誘導(dǎo)區(qū)長度增加，邊界層擴(kuò)散導(dǎo)致的能量損失逐漸增大，從而導(dǎo)致爆轟波的化學(xué)反應(yīng)變緩，并使得爆轟速度降低[12]。在臨界壓力處，當(dāng)爆轟波失效時，最小爆轟速度與管道直徑、環(huán)形間距無關(guān)，其值約為0.8vCJ。同時由圖4得到，當(dāng)初始壓力一定時，爆轟速度隨管道尺寸減小而降低。這是由于在小內(nèi)徑管道中，邊界層所占比例增加，邊界層效應(yīng)增大，從而導(dǎo)致爆轟速度的降低。

圖4 爆轟速度隨著初始壓力的變化Fig.4 Detonation velocity versus initial pressure

對于圓形管，當(dāng)管徑(d)為1.5、3.2、12.7、31.7、50.8 mm時，對應(yīng)的爆轟極限極限壓力(pc)分別為20、9.8、3.2、1.5、1.1 kPa；對于環(huán)形管，當(dāng)間距(w)為3.2和5.9 mm時，對應(yīng)的爆轟極限極限壓力分別為7.0和3.5 kPa。通過比較不同幾何尺寸管道所對應(yīng)的臨界壓力可以看出，爆轟極限臨界壓力隨著管徑或間距的減小而顯著增大，說明隨著管徑或間距的減小，管道內(nèi)壁邊界層所占的比例不斷增加，在小尺寸管道內(nèi)管道邊界層效應(yīng)對爆轟波在管道內(nèi)的傳播起到主導(dǎo)作用。

2.3 臨界圓管內(nèi)徑與環(huán)管間距的關(guān)系

當(dāng)混合氣初始壓力一定時，圓管臨界管徑尺寸為環(huán)管臨界間距的2倍[12]，這是因為爆轟波在環(huán)管內(nèi)傳播時，由于環(huán)管可視為二維通道，爆轟波波面彎曲只發(fā)生在一個平面上，而對于圓管，爆轟波波面彎曲則發(fā)生在兩個相互垂直的平面上。本實驗中共采用了5種不同內(nèi)徑的圓管及2種間距的環(huán)管，并得到其對應(yīng)的臨界壓力。由于臨界壓力值不同，為了消除初始壓力不同對結(jié)果的影響，引入無量綱參數(shù)dc/λ及wc/λ，通過無量綱化的方法消除初始壓力對結(jié)果的影響，并得到一個普適規(guī)律。無量綱參數(shù)dc/λ及wc/λ中，dc、wc和λ分別為臨界管道直徑、臨界環(huán)形間距及胞格尺寸，其中dc和wc可反映爆轟波在管道內(nèi)傳播的邊界條件，而胞格尺寸作為爆轟動態(tài)參數(shù)[1]，可反映爆轟氣體的敏感度。對于給定的氣體，胞格尺寸大小與初始壓力相關(guān)，因此胞格尺寸可間接反映爆轟氣體初始壓力。

圖5為典型的爆轟波胞格結(jié)構(gòu)隨初始壓力變化規(guī)律(圓管，d=50.8 mm)。由圖可知，C2H2+2.5O2+70%Ar具有規(guī)則的胞格結(jié)構(gòu)，且隨著初始壓力的逐漸降低，爆轟波胞格尺寸逐漸增加。通過實驗測定了不同管道及初始壓力下爆轟波胞格尺寸(如圖6所示)，并采用了最小二乘法擬合出胞格尺寸與初始壓力之間的關(guān)系式：

(1)

式中：λ單位為mm，p0單位為kPa。通過(1)式，可計算得到各管道在臨界壓力處對應(yīng)的胞格尺寸，并計算出相應(yīng)的dc/λ、wc/λ，結(jié)果見表3～4。由表3～4可以得出，dc/λ和wc/λ的平均值分別為0.185和0.095 4。對于不同內(nèi)徑的圓管及環(huán)管，在極限壓力處，dc/λ與wc/λ的平均比值為1.95，這與理論結(jié)果(dc/wc=2)相吻合，證明對于穩(wěn)態(tài)氣體，可采用理論分析預(yù)測其爆轟極限。

圖5 爆轟胞格結(jié)構(gòu)隨初始壓力的變化(d=50.8 mm)Fig.5 Stuctures of the detonation cellulars vary with the initial pressure (d=50.8 mm)

圖6 爆轟胞格尺寸與初始壓力的關(guān)系Fig.6 Detonation cellular size versus initial pressure

對于高濃度氬氣稀釋的穩(wěn)態(tài)氣體，其胞格結(jié)構(gòu)非常規(guī)則，因此可采用經(jīng)典的ZND模型進(jìn)行分析，故除了采用胞格尺寸所建立無量綱參數(shù)外，亦可采用ZND誘導(dǎo)區(qū)長度(ΔZND)建立無量綱參數(shù)，以此分析臨界管徑與臨界間距間關(guān)系。ZND誘導(dǎo)區(qū)長度可通過Chemkin程序[15]和San Diego化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理[16]計算得到，結(jié)果見表5和6。B.Bazathazajan等[17]證明了San Diego化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對于計算C2H2+2.5O2+70%Ar氣體爆轟波ZND誘導(dǎo)區(qū)長度的有效性。由表5和6可知，dc/ΔZND與wc/ΔZND的平均值分別為24.07和12.25。dc/wc的平均值為1.96。當(dāng)采用ZND誘導(dǎo)區(qū)長度建立無量綱參數(shù)時，結(jié)果同樣與理論結(jié)果吻合。進(jìn)一步證明了采用爆轟波波面曲率失效機(jī)理魚刺爆轟極限的正確性。

表3 圓管實驗結(jié)果

表4 環(huán)管實驗結(jié)果

表5 圓管ZND化學(xué)反應(yīng)區(qū)長度

表6 環(huán)管ZND化學(xué)反應(yīng)區(qū)長度

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)初始壓力遠(yuǎn)大于爆轟極限臨界壓力時，爆轟波在管道內(nèi)以一穩(wěn)定速度傳播。隨著預(yù)混氣初始壓力的減小，爆轟波在管道內(nèi)傳播的速度逐漸降低。當(dāng)初始壓力達(dá)到臨界壓力時，爆轟波在進(jìn)入到管道內(nèi)并傳播一段距離后，其速度將逐漸衰減直至爆轟波衰變成爆燃波并完全失效。通過比較不同幾何尺寸管道內(nèi)爆轟波傳播速度可知，爆轟波速度隨著管道幾何尺寸的減小而減小，表明爆轟波在管道內(nèi)傳播時受到邊界條件及初始條件的影響。

(2) 對于不同幾何尺寸管道，通過無量綱參數(shù)分析研究得出，爆轟波在管道內(nèi)傳播時臨界圓管直徑為臨界環(huán)管間距的2倍，這與理論預(yù)測相符合。表明高濃度氬氣稀釋氣體爆轟波在管道內(nèi)傳播時，管道壁面的邊界層效應(yīng)所導(dǎo)致的爆轟波化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)的動量、熱量損失是導(dǎo)致此種高濃度氬氣稀釋氣體爆轟波在管道內(nèi)傳播失效的主要原因。通過對爆轟波在圓形及環(huán)形管道內(nèi)的失效分析,進(jìn)一步驗證了此種高濃度氬氣稀釋氣體基于爆轟波波面曲率的失效機(jī)理。

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(責(zé)任編輯 王小飛)

Correlation between the critical tube diameter and annular interval for detonation wave in high-concentration argon diluted mixtures

Yu Jian-liang, Gao Yuan, Yan Xing-qing, Gao Wei

(SchoolofChemicalMachinery,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)

Detonation tube including driver section and test section was built to investigate the failure mechanism of detonation wave near the limits. The mixture of C2H2+2.5O2+70%Ar was investigated experimentally. Fiber optics was used to measure detonation velocity. Smocked foils were used to record the detonation cellular structure. The results show that, with the initial pressure far lager than the critical pressure, detonation wave propagates at a constant value in the tubes. Detonation velocity decreases with the decreasing initial pressure. With a given initial pressure, the detonation velocity decreased as the tube diameter (or channel interval) decreased. Under the critical pressure, the detonation velocity propagated a short distance in the tubes and then decreased gradually until complete failure. For different geometries tubes and channels, by introducing dimensionless parameterd/λandw/λ(dthe dameter of the round tube,wthe interval of the annular channel andλthe size of detonation cellular), the results show that the critical thickness is half of the critical diameter. Good agreement is found between the experimental measurements in both geometries which supports this conclusion and theoretical mode. The failure mechanisms based on the detonation front curvature for stable detonation in mixtures that are highly argon diluted are well defined.

mechanics of explosion; detonation limits; critical diameter; critical thickness; eetonation front curvature

10.11883/1001-1455(2015)04-0603-06

2013-12-21；

2014-05-04

國家自然科學(xué)基金項目(50974027)

喻健良(1963- )，男，博士，教授，yujianliang@dl.cn。

O382 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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