邊界條件對甲烷預混氣爆轟特性的影響*

趙煥娟,J.H.S.Lee,張英華,錢新明,嚴屹然

(1.北京科技大學教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室,北京100083; 2.Mechanical Engineering Department,McGill University,Montreal,Quebec,Canada H3A 2K6; 3.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京100081)

邊界條件對甲烷預混氣爆轟特性的影響*

趙煥娟1,J.H.S.Lee2,張英華1,錢新明3,嚴屹然1

(1.北京科技大學教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室,北京100083; 2.Mechanical Engineering Department,McGill University,Montreal,Quebec,Canada H3A 2K6; 3.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京100081)

通過實驗研究及數(shù)字化處理研究了邊界條件對CH4預混氣體爆轟特性的影響。在內(nèi)徑為63.5、50.8 mm圓柱形管道及長方體管道進行爆轟實驗,得到胞格結(jié)構和爆轟速度曲線。煙膜數(shù)字化處理量化了預混氣體的爆轟不穩(wěn)定性,并計算出胞格尺寸。3種管道內(nèi)測得的平均爆轟速度與CJ速度接近,邊界條件的影響不明顯。分析爆轟速度曲線發(fā)現(xiàn),極限壓力受到邊界條件的影響,?50.8和?63.5 mm管道內(nèi)預混氣的極限壓力分別為5和4.05 kPa,即隨著管徑增大,爆轟極限壓力降低。數(shù)字化處理所得不同管道內(nèi)煙膜軌跡的不規(guī)則程度無明顯差別,因此可以認為不穩(wěn)定性是預混氣固有的性質(zhì)。在相同爆轟初始壓力下,管徑增大,胞格數(shù)量變多,表明爆轟傳播時爆轟螺旋頭數(shù)增多以維持傳播。

爆轟實驗;甲烷預混氣;邊界條件;爆轟極限;數(shù)字化處理;胞格尺寸

爆轟波通過其前導激波壓縮可燃氣體實現(xiàn)自燃點火,并借助燃燒釋放的化學能實現(xiàn)自持傳播,維持穩(wěn)定的激波強度,在可燃預混氣體中以超聲速或高超聲速傳播。爆轟波這種能夠自持燃燒的特性給許多存在可燃氣體的場所帶來了嚴重的安全隱患,所以對爆轟特性及防護技術的研究在目前仍然是一個非常重要的研究課題[1]。

雖然常規(guī)研究中很少考慮爆轟,但是,安全領域不可避免地涉及各種爆燃形態(tài),有些事故僅用普通燃爆理論是無法解釋的。例如20世紀50年代美國新墨西哥州Albuquerque發(fā)生的一起爆炸事故以及2014年西安某航天研究所的爆炸事故,事故后所有炸裂的碎片都很小,超壓非常大。自主傳播的爆燃波本質(zhì)上是不穩(wěn)定的,存在著很多不穩(wěn)定機制可以使得反應面變成湍流,從而增加爆燃波傳播速度。因此,自持傳播的爆燃波會不斷加速,只要邊界條件允許,將突然向爆轟轉(zhuǎn)變。在不同的初始和邊界條件下會出現(xiàn)不同類型的燃燒波,爆轟的形成是很多嚴重爆炸事故的重要原因之一。

爆轟胞格結(jié)構受邊界條件影響,與爆轟極限、爆轟速度、爆轟不穩(wěn)定性等研究聯(lián)系密切。因此,爆轟胞格結(jié)構是氣相爆轟機理研究的基礎,可以用于表征氣相爆轟的動力學特征,在安全領域也是研究事故發(fā)生和發(fā)展的關鍵內(nèi)容。爆轟機理是國際上現(xiàn)在公認的難題之一,實驗發(fā)現(xiàn),初始條件和邊界條件對爆轟波的傳播有很大的影響,爆轟波的傳播強烈依賴于壁面條件,邊界在爆轟傳播過程中可以起到有利或不利的作用。邊界層更為重要的作用也許是對爆轟波面不穩(wěn)定性的影響。G.B.Kistiakowsky等[2-3]通過分析大量的數(shù)據(jù)得出了爆轟速度與管徑的依賴關系,結(jié)果顯示,邊界條件(受限壁面)的突然變化能夠明顯破壞爆轟傳播機制。J.H.S.Lee[4]指出,根據(jù)爆轟是否穩(wěn)定,存在著兩種熄爆機制:穩(wěn)定爆轟的爆轟結(jié)構可以通過ZND模型描述,橫波在爆轟傳播中的作用可以忽略;相反,對于不穩(wěn)定爆轟,橫波則起到了決定性作用。三波點所形成胞格結(jié)構的量化研究在爆轟傳播研究中非常重要,是分析邊界條件對爆轟傳播影響不可忽視的方面。最近,在胞格形成機理及其規(guī)律的研究方面取得了重大進展[5-12]。

許多學者采用煙膜研究邊界條件對爆轟傳播的影響,此時,煙膜記錄的胞格結(jié)構是研究爆轟現(xiàn)象的關鍵[13-14]。然而,實驗中獲得的軌跡不是直線,為了解釋該現(xiàn)象并選擇“代表軌跡間距”的數(shù)據(jù),就需要相當多的經(jīng)驗。另外,國內(nèi)學者也對氣相規(guī)則胞格爆轟波的起爆與傳播進行了研究[15-17]。作為典型不穩(wěn)定爆轟氣體,CH4+2O2爆轟初始壓力極限較高,CH4是一種不敏感、不穩(wěn)定氣體,在實驗過程中需要十分精確地操作以避免影響不規(guī)則度的分析,因此,目前為止少見有針對CH4的研究。

本文中,首先采用兩種不同管徑(為達到細致研究的效果,兩種管徑差別控制在25%)的圓形截面光滑管來研究CH4+2O2預混氣的爆轟速度、爆轟不穩(wěn)定程度,確定CH4+2O2預混氣的性質(zhì);然后采用小尺寸類巷道的長方體管道進行爆轟實驗,獲得CH4+2O2預混氣的速度及壓力變化特征,分析不同邊界條件下,CH4+2O2預混氣的爆轟不穩(wěn)定性、胞格變化及速度等。

1 管道內(nèi)CH4+2 O2預混氣爆轟實驗

1.1 ?50.8mm圓形截面管道中CH4+2O2預混氣爆轟實驗

1.1.1 實驗內(nèi)容

圖1中金屬引爆管長1 010 mm,實驗段為透明的高強度塑料管,管段間通過法蘭聯(lián)接,法蘭內(nèi)部有橡膠密封圈。所有的預混氣已預先制備,并確保均勻混合。在金屬引爆管內(nèi)充C2H2+O2(采用化學計量配比),用于促進實驗段爆轟的發(fā)生。管道后端放入1 m長煙膜,依初始壓力選用煙膜厚度。在實驗段管子外壁固定處裝有光纖,可以感知爆轟傳播面的光,傳輸信號到數(shù)據(jù)盒。金屬引爆管接存儲驅(qū)動氣的小金屬管。在小型金屬管與實驗管道不連通的情況下,在實驗管道內(nèi)充滿預混氣(壓力為p1),在小型金屬管內(nèi)充驅(qū)動氣(壓力為p2),然后將小型金屬管內(nèi)驅(qū)動氣快速平穩(wěn)地放到實驗管道內(nèi),以免由于C2H2+O2過多而影響實驗結(jié)果。小型金屬管與實驗管道連通后,兩個管道內(nèi)壓力均變成pinitial,pinitial即為實驗初始壓力。利用等容條件計算所需要使用的驅(qū)動氣及CH4+2O2預混氣分壓,計算后校核以獲得精準的實驗初始壓力,計算公式如下:

式中:p1為實驗管道內(nèi)預混氣的壓力;p2為小型金屬管內(nèi)驅(qū)動氣的壓力;V1為實驗管道及連通通路體積;V2為小型金屬管及連通通路體積;V0為驅(qū)動氣在實驗管道內(nèi)的體積,甲烷氣引爆需要長度為6～8個實驗管道直徑的驅(qū)動氣;γ為比熱比,取為1.4。

圖1 ?50.8 mm爆轟管道結(jié)構簡圖Fig.1 Detonation tube structure with inner diameter of 50.8 mm

1.1.2 實驗結(jié)果

煙膜記錄了螺旋爆轟結(jié)構,取管道內(nèi)CH4+2O2初始壓力5 k Pa時出現(xiàn)的單頭螺旋以及初始壓力為7.25、10、13和19 kPa時的穩(wěn)定爆轟為例,分析煙膜掃描后圖片可知(見圖2):隨著初始壓力的增大,煙膜上的胞格尺寸減小;CH4+2O2的單頭螺旋表現(xiàn)出比較彎曲的軌跡,并且反應區(qū)留下的軌跡時寬時窄,極不穩(wěn)定。

圖2 ?50.8 mm管道內(nèi)CH4+2O2預混氣不同初始壓力下爆轟煙膜Fig.2 Smoked foils of premixed CH4+2O2in tube with inner diameter of 50.8 mm

由“Chemical Equilibrium Analysis”程序計算出不同邊界條件下的CJ爆轟速度,通過示波器上爆轟波到達的時間與固定光纖的位置,計算出每一處的平均速度。不同起爆壓力下的爆轟平均速度與CJ爆轟速度比見圖3。

CH4+2O2形成的爆轟軌跡十分不規(guī)則,是爆轟十分不穩(wěn)定的氣體。在起爆壓力低于5 kPa時,不能起爆;高于5 k Pa時,才能獲得穩(wěn)定的爆轟傳播結(jié)果,此時得到的平均爆轟波傳播速度應當靠近CJ爆轟速度。爆轟初始壓力5 k Pa的煙膜為極限狀態(tài)附近才能出現(xiàn)的單頭螺旋;且起爆壓力低于5 kPa時,在起爆段形成的爆轟會轉(zhuǎn)為爆燃,速度會陡降,因此該管道爆轟極限在5 kPa左右。

1.2 ?63.5mm圓形截面管道中CH4+2O2預混氣爆轟實驗

1.2.1 實驗內(nèi)容

鋼質(zhì)起爆管內(nèi)徑為63.5 mm,見圖4。使用C2H2+O2點燃測試端預混氣,實驗段裝有離子探針,探測爆轟面的陰陽離子變化。探針在管壁內(nèi)探出1 mm之內(nèi),以免干涉爆轟波的傳播。探針感知的信號將被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)盒。

1.2.1 實驗結(jié)果

圖5為取出煙膜并噴涂保護漆后掃描得到的圖片。爆轟速度曲線如圖6所示。

圖3 不同初始壓力下?50.8 mm管道內(nèi)CH4+2O2爆轟速度曲線Fig.3 Velocity curves of premixed CH4+2O2in?50.8 mm tube at different initial pressures

圖4 ?63.5 mm爆轟管道結(jié)構簡圖Fig.4 Detonation tube structure with inner diameter of 63.5 mm

圖5 ?63.5 mm管道內(nèi)CH4+2O2預混氣不同初始壓力下爆轟煙膜Fig.5 Smoked foils of premixed CH4+2O2in tube with inner diameter of 63.5 mm

由圖6可知,當初始壓力為2.33～2.55 k Pa時,速度曲線在距離起爆點2.5 m左右出現(xiàn)驟變,這可能是由于發(fā)生了過驅(qū)爆轟。在3.4 m以后,當起爆壓力低于4.05 k Pa時,爆轟失敗;高于4.05 k Pa時,則獲得穩(wěn)定的爆轟傳播果。同時,爆轟初始壓力為4.05 k Pa形成單頭螺旋,因此該管道爆轟極限約為4.05 kPa。極限爆轟壓力受管徑影響,但是一旦形成穩(wěn)定傳播的爆轟,邊界條件(管徑)對爆轟速度的影響卻不明顯。對比管徑?50.8 mm和?63.5 mm管道內(nèi)部爆轟軌跡發(fā)現(xiàn):對于很不穩(wěn)定的CH4+ 2O2預混氣,隨著管徑的增大,起爆極限壓力降低,爆轟極限變寬;并且形成穩(wěn)定爆轟后,初始壓力確定條件下,內(nèi)部管壁記錄的軌跡胞格尺寸隨著管徑增大而減小。

圖6 不同初始壓力下?63.5 mm管道內(nèi)CH4+2O2爆轟速度曲線Fig.6 Velocity curves of premixed CH4+2O2in?63.5 mm tube at different initial pressures

1.3 矩形截面管道中CH4+2O2預混氣爆轟實驗

1.3.1 實驗內(nèi)容

圖7為小尺寸長方體實驗管道。該爆轟通道由兩塊鋼板及中間挖空的鋁合金板構成,合金板兩側(cè)開槽,槽內(nèi)安裝密封橡膠圈,3塊板合并時在外側(cè)均勻加緊以達到合格的密封效果。合金板外側(cè)打孔,通過裝有密封橡膠圈的螺栓塞子將兩個壓力傳感器安裝于孔內(nèi)。兩個傳感器的間距ΔL=20.4 cm,測量所得波形的波峰距離為Δt。在實驗段管子的后端壁面處放入煙膜。

1.3.1 實驗結(jié)果

圖8為取出煙膜并噴涂保護漆后掃描得到的圖片。實驗測得的爆轟速度如圖9所示,其中前3次實驗的初始壓力為5 kPa,后2次實驗的初始壓力為10 kPa。可以看出,爆轟速度均在vcj附近。

圖7 矩形截面管道設計圖Fig.7 Structure diagram of the rectangle tube

圖8 矩形截面管道內(nèi)CH4+2O2爆轟煙膜Fig.8 Smoked foils of premixed CH4+2O2in the rectangle tube

在實驗所涉及的3種光滑管內(nèi),爆轟極限均強烈依賴于邊界條件,但是爆轟速度卻不會因邊界條件不同而產(chǎn)生很大的區(qū)別。爆轟速度對于管徑的依賴關系主要是由于管壁造成的,隨著管徑的減小,壁面效應逐漸增強,混合物中的爆轟傳播速度降低。兩種圓管的爆轟初始壓力極限有差別,原因可能與形成螺旋爆轟的原理有關,即兩種圓形管道內(nèi)形成一個胞格所需的能量不同,內(nèi)徑越大,爆轟初始壓力極限越低。綜上所述,邊界條件在爆轟傳播過程中起著重要的作用,尤其是在爆轟極限附近。

螺旋爆轟一般只能在有限管徑的管道內(nèi)產(chǎn)生,邊界條件(管徑)的作用可能與氣體性質(zhì)有關,氣體可以承受壓力但不太能夠承受剪力,綜合管壁起到的作用,才形成螺旋爆轟。管道內(nèi)螺旋爆轟結(jié)構存在大于半個胞格才能傳播,所以管徑越大,爆轟極限越低。當管徑大到一定程度時,爆轟初始壓力極限下的胞格尺寸無法容納于管道中,因此將不能出現(xiàn)單頭螺旋或螺旋爆轟。

圖9 矩形截面管道內(nèi)CH4+2O2預混氣爆轟速度Fig.9 Velocity of premixed CH4+2O2in the rectangle tube

2 實驗結(jié)果分析

2.1 煙膜數(shù)字化處理

使用Photoshop軟件描畫煙膜軌跡得到初始壓力13 kPa條件下,?50.8 mm和?63.5 mm管道內(nèi)的煙膜軌跡線如圖10和圖11所示?？梢钥闯?軌跡線可分為兩個方向:軌跡與傳播方向夾角的角度在0°～90°范圍的稱為“右旋波”(θ+),在-90°～0°范圍的稱為“左旋波”(θ-)。

取一條垂直線在“左旋”或“右旋”軌跡上運動,當垂直線碰到軌跡線時,像素發(fā)生突變,記錄下該像素點的位置并令其取值為“1”,其他的像素點值則記為“0”。通過以上處理,圖10和圖11中所有像素均被離散數(shù)值化,軌跡圖即轉(zhuǎn)化為離散函數(shù)。通過該離散函數(shù)可以直接計算軌跡間距,即相鄰兩個取值為“1”像素點之間的距離,計算過程中需要注意像素值與實際尺寸的換算。

圖10 ?50.8 mm管道內(nèi)煙膜軌跡線Fig.10 Trajectory in two sets in tube with inner diameter of 50.8 mm

圖11 ?63.5 mm管道內(nèi)煙膜軌跡線Fig.11 Trajectory in two sets in tube with inner diameter of 63.5 mm

2.2 軌跡間距柱狀圖

在軌跡圖上畫一條豎線,記錄下豎線與軌跡的交點坐標,那么一條豎線上相鄰交點的距離就是軌跡間距。實際的軌跡總是因為相互干涉等原因而彎曲,軌跡間距是一個范圍,該范圍及分布情況與爆轟穩(wěn)定度有關。如圖12和圖13所示,為比較間距數(shù)據(jù)之間的差別,嘗試不同間距尺寸后,將軌跡間距數(shù)據(jù)每5 mm定為一個統(tǒng)計區(qū)間,在不同統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)有不同比率的軌道間距數(shù)據(jù),柱子的高低和分布情況即反映了軌跡間距的不規(guī)則程度。從圖12和圖13中可以看出:在同一初始壓力條件下,兩管道內(nèi)煙膜軌跡柱狀圖的峰值大致接近,柱狀圖的分布比較離散,并且均不服從高斯分布。

圖12 ?50.8 mm管道內(nèi)典型軌跡柱狀圖Fig.12 Typical trajectory histograms of tube with inner diameter of 50.8 mm

圖13 ?63.5 mm管道內(nèi)典型軌跡柱狀圖Fig.13 Typical trajectory histograms of tube with inner diameter of 63.5 mm

2.3 爆轟不穩(wěn)定度定量化

根據(jù)已經(jīng)獲得的大量軌跡間距數(shù)據(jù),使用統(tǒng)計學公式計算得到軌跡間距的方差,以定量分析軌跡間距的不規(guī)則度,確定反應預混氣的不穩(wěn)定性。以所有軌跡間距數(shù)據(jù)的平均值作為胞格尺寸,由此計算得到兩種管徑條件下爆轟軌跡間距的方差如圖14所示。從圖14中可以看出:甲烷預混氣軌跡間距的方差較大,即甲烷預混氣胞格尺寸數(shù)據(jù)的離散程度較高;?63.5 mm和?50.3 mm管道的爆轟不規(guī)則程度并沒有明顯差別,說明不穩(wěn)定性是預混氣固有的性質(zhì)。

2.4 爆轟結(jié)構胞格尺寸

圖15給出了兩種圓形截面管道內(nèi)胞格尺寸的比較。分析圖15中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):相同初始壓力條件下,?63.5 mm的管道內(nèi)胞格尺寸明顯小于?50.8 mm管道內(nèi)爆轟胞格尺寸;同時邊界條件影響胞格數(shù)量,管徑增大時,螺旋頭數(shù)增多以維持傳播。

圖14 兩種管徑爆轟軌跡間距方差Fig.14 Variance of distance between waves in cylindrical tubes

圖15 圓形管道內(nèi)胞格尺寸Fig.15 Cell size of waves in cylindrical tubes

3 結(jié) 論

(1)管道內(nèi)測得的CH4+2O2預混氣的平均爆轟速度數(shù)據(jù)均與CJ爆轟速度接近。

(2)?50.8 mm、?63.5 mm圓形管道內(nèi)的CH4+2O2預混氣的爆轟極限壓力分別為5、4.05 k Pa。極限爆轟壓力受邊界條件影響,隨著管徑增大,起爆極限壓力降低,爆轟極限變寬。形成穩(wěn)定的爆轟傳播后,小尺寸矩形截面管道與圓形截面管道中傳播速度與胞格結(jié)構形式無明顯差別,表明爆轟速度主要受初始爆轟壓力及預混氣的類型影響,邊界條件對爆轟速度未產(chǎn)生很大影響。

(3)管道內(nèi)爆轟軌跡的不規(guī)則程度無明顯差別,說明不穩(wěn)定性是預混氣固有的性質(zhì)。

(4)在相同爆轟初始壓力下,管徑增大,胞格數(shù)量變多,表明爆轟傳播時螺旋頭數(shù)增多以維持傳播。

感謝航天二院207所茍銘江博士給予的技術支持。

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Effects of boundary conditions on premixed CH4+2O2detonation characteristics

Zhao Huanjuan1,J.H.S.Lee2,Zhang Yinghua1,Qian Xinming3,Yan Yiran1
(1.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China; 2.Mechanical Engineering Department,McGill University,Montreal,Quebec,Canada H3A2K6; 3.State Key Laboratory of Ex plosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)

To find out the exact effects of boundary conditions on premixed CH4+2O2detonation characteristics,detonation experiments were conducted respectively in two cylindrical tubes with inner diameters of 63.5 mm and 50.8 mm and one rectangle tube.The detonation velocity curves were obtained using a signal detection system,and cellar patterns drawn from the smoked-foil records were obtained using a digital image processing program.Quantitative irregularities of CH4+2O2detonation and cell size data under different initial pressures in the three tubes were analyzed and compared.It is found that the average velocities in the three tubes always closely resembledvcj,showing that the detonation velocity is mainly determined by the initial detonation pressure and mixture type rather than by the boundary conditions.In addition,judging by the detonation velocity curves,the limit pressures of the tubes with inner diameter of 50.8 and 63.5 mm are 5 and 4.05 k Pa,respectively.Therefore, the boundary conditions can influence the limit pressure.Quantitative irregularities exert little significant difference under different boundary conditions of the tubes.Besides,as the detonation needs to compensate for the energy loss with the increase of the tube diameter,there is a greater number of spin heads in the tubes.

detonation experiments;premixed CH4+2O2;boundary conditions;detonation limits; image processing;detonation cell size

O381國標學科代碼:1303510

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0201-07

(責任編輯 王玉鋒)

2015-08-31;

:2015-10-27

國家自然科學基金項目(11602017);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(FRF-TP-15-105A1);中國博士后科學基金項目(2015 M580049)

趙煥娟(1985- ),女,博士,講師;

:張英華,zyhustd@163.com。