氣相爆轟波近失效狀態(tài)的傳播模式*

顏秉健，張 博,2，高 遠(yuǎn)，呂樹(shù)光

(1.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 上海 200237;2.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院, 上海 200240；3.Department of Mechanical and Aerospace Engineering, West Virginia University, United States)

爆轟波是一種以超音速傳播并伴隨有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波。爆轟波通過(guò)其前導(dǎo)沖擊波壓縮可燃?xì)怏w實(shí)現(xiàn)自燃點(diǎn)火，并借助燃燒釋放的化學(xué)能實(shí)現(xiàn)自持傳播[1]。先前的研究主要分析了不同可燃?xì)怏w種類、燃料配比、初始?jí)毫?duì)爆轟波傳播規(guī)律的影響，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)遠(yuǎn)離爆轟極限時(shí)，爆轟波在管道內(nèi)穩(wěn)定傳播；當(dāng)臨近爆轟極限時(shí)，爆轟波穩(wěn)定性減弱，傳播過(guò)程變得非常復(fù)雜，并伴隨一系列非穩(wěn)定現(xiàn)象[2-3]。Moen等[4]、Lee等[5]、 Kitano等[6]、Campbell等[7-9]研究表明，在臨近極限附近出現(xiàn)螺旋爆轟現(xiàn)象，Manson等[10]對(duì)C3H8-O2混合氣體爆轟波的研究發(fā)現(xiàn)，某些條件下爆轟波速度將出現(xiàn)較大波動(dòng)，并周期性地失效與再起爆, 即馳振爆轟(galloping detonation)。Edwards等[11]、 Haloua等[12]、 Moen等[13]在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了馳振爆轟的存在。除馳振爆轟之外，Manzhalei[14]采用微小管道研究時(shí)發(fā)現(xiàn)在一定壓力下存在低速爆轟，并以約0.6vCJ的速度在管道內(nèi)穩(wěn)定傳播。目前對(duì)于爆轟波的不穩(wěn)定傳播模式的產(chǎn)生機(jī)理尚不明確，需要通過(guò)開(kāi)展進(jìn)一步的研究進(jìn)行深入分析。

本文中采用具有5種不同活化能的碳?xì)浠旌蠚怏w，利用光纖探針和煙跡法對(duì)爆轟波在管道內(nèi)傳播時(shí)的速度波動(dòng)進(jìn)行分析，進(jìn)一步探究臨近極限狀況下爆轟波的復(fù)雜傳播模式和氣體活化能之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由爆轟管、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及充、配氣系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。爆轟管道由驅(qū)動(dòng)段和測(cè)試段組成。驅(qū)動(dòng)段為長(zhǎng)度1300 mm、內(nèi)徑65 mm的鋼管，在起爆端位置設(shè)置一長(zhǎng)度為200 mm的Shchelkin螺旋，以增加對(duì)爆炸波的擾動(dòng)從而形成穩(wěn)態(tài)爆轟。測(cè)試段為透明的聚碳酸酯管。測(cè)試段規(guī)格有3種：(1)內(nèi)徑1.5 mm、長(zhǎng)2.438m；(2)內(nèi)徑3.2 mm、長(zhǎng)2.438 m；(3)內(nèi)徑12.7 mm、長(zhǎng)4.118 m。

采用PCB壓力傳感器(型號(hào)：113B24，響應(yīng)頻率：500 kHz，量程：0～6.9 MPa，輸出電壓：0～5 V)測(cè)量驅(qū)動(dòng)段內(nèi)爆轟波到達(dá)時(shí)間，用以計(jì)算在驅(qū)動(dòng)段內(nèi)是否形成并達(dá)到穩(wěn)態(tài)的爆轟波。采用光學(xué)探針測(cè)試系統(tǒng)[5]測(cè)量測(cè)試段內(nèi)爆轟波到達(dá)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，從而計(jì)算出爆轟波在相鄰測(cè)點(diǎn)間的傳播速度，圖2為實(shí)驗(yàn)中所獲得的典型光學(xué)探針輸出信號(hào)。通過(guò)CEA[15]程序計(jì)算預(yù)混氣體在各初始條件下爆轟波的理論爆轟CJ速度。

采用分壓法配置預(yù)混氣體，并靜置24 h使氣體充分混合。實(shí)驗(yàn)前，首先用真空泵對(duì)管路抽真空至0 Pa，充氣時(shí)同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)段初始端閥1及測(cè)試段末端閥9的閥門(mén)向管路充入混合氣體，并通過(guò)電子壓力表控制進(jìn)氣量以達(dá)到預(yù)定的初始?jí)毫Α２捎酶邏弘娀鸹c(diǎn)火，點(diǎn)火能量約32 J。選用五種不同組分的混合氣體，分別為C2H2+2.5O2+70%Ar (Ⅰ)、C2H2+2.5O2+85%Ar (Ⅱ)、C2H2+5N2O (Ⅲ)、C3H8+5O2(Ⅳ)、CH4+2O2(Ⅴ)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)于給定的預(yù)混氣體和管道，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)逐漸降低預(yù)混氣在管道內(nèi)的初始?jí)毫?lái)獲得爆轟極限的臨界壓力。圖3所示為C2H2+2.5O2+70%Ar氣體初始?jí)毫h(yuǎn)大于其所對(duì)應(yīng)的臨界壓力時(shí)，爆轟波在管道內(nèi)的傳播情況。圖3中橫坐標(biāo)為爆轟波在測(cè)試段管道內(nèi)的傳播距離，縱坐標(biāo)為相鄰測(cè)點(diǎn)間所測(cè)爆轟波速度與理論爆轟波速度的比值。由圖3可知，在該初始條件下，爆轟波在管道內(nèi)傳播時(shí)其速度波動(dòng)很小，并以穩(wěn)定速度傳播，且平均速度接近于理論CJ速度，這種傳播模式的爆轟波稱為穩(wěn)態(tài)爆轟。

圖4為C3H8+5O2氣體在初始?jí)毫?.5 kPa時(shí)，爆轟波在管道內(nèi)傳播情況。圖4表明爆轟波在管道內(nèi)傳播時(shí)出現(xiàn)局部速度波動(dòng)，但仍能夠以平均速度0.9vCJ在管道內(nèi)傳播，且局部速度波動(dòng)的振幅及頻率具有隨機(jī)性，此種傳播模式爆轟稱為快速波動(dòng)爆轟。對(duì)于快速波動(dòng)模式，速度分布離散度變大，表明其速度波動(dòng)增加。

圖5為CH4+2O2氣體在初始?jí)毫?2 kPa時(shí)，爆轟波在管道內(nèi)傳播情況。爆轟波在進(jìn)入到測(cè)試段管道時(shí)，以接近理論CJ爆轟速度的速度在管道內(nèi)傳播，在傳播一段距離后，爆轟速度突然降低至0.87vCJ左右，并以此速度在管道內(nèi)傳播約0.5 m(約40倍管道直徑)后，速度又突然增加至vCJ，再傳播一段距離后(約0.5 m)，又降至0.87vCJ左右，爆轟波在管道內(nèi)以此種模式周期地傳播至管道末端。此種傳播模式稱之為“結(jié)巴式”爆轟。從速度直方圖可以看出，在0.87vCJ及vCJ附近形成兩個(gè)波峰，即爆轟波速度集中在0.87vCJ和vCJ之間。

圖6為C3H8+5O2氣體在初始?jí)毫? kPa時(shí)，爆轟波在管道內(nèi)的傳播狀況。由圖6可知，在此初始?jí)毫ο卤Z波速度波動(dòng)較大，并可分為三個(gè)階段：(1)CJ爆轟階段(0.8vCJ≤v≤vCJ)；(2)低速階段(0.4vCJ≤v<0.8vCJ)；(3)過(guò)載階段(v>vCJ)，此種傳播模式稱為“馳振”爆轟。在CJ爆轟階段，爆轟波在管道內(nèi)傳播時(shí)速度緩慢降低，傳播至750 mm時(shí)，爆轟波進(jìn)入低速傳播階段，此時(shí)爆轟波速度急劇降低至0.4vCJ左右，并以此速度在管道內(nèi)傳播約1 000 mm的距離(約80倍管道直徑)。在2 600 mm處，爆轟波速度突然增加至1.4vCJ左右，此時(shí)爆轟波發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象，由于過(guò)載時(shí)爆轟波(v≈1.4vCJ)不能自持穩(wěn)定傳播，故當(dāng)爆轟波經(jīng)歷過(guò)載階段后速度隨之降低，并逐漸達(dá)到CJ爆轟狀態(tài)(v≈vCJ)，隨后形成下一個(gè)馳振爆轟周期。馳振爆轟模式同樣存在兩個(gè)波峰且低速區(qū)占據(jù)較大比例，表明在低速爆轟階段，爆轟波在管道內(nèi)傳播較長(zhǎng)的距離。

圖7為C2H2+5N2O氣體在初始?jí)毫? kPa時(shí)，爆轟波在管道內(nèi)的傳播狀況。當(dāng)爆轟波進(jìn)入管道并傳播一段距離后，其速度迅速降至0.52vCJ左右，并以此速度穩(wěn)定傳播至管道末端，如圖7所示，此種傳播模式稱為低速爆轟。從圖中也可以看出，爆轟波速度主要落于0.52vCJ左右。

圖8所示為C2H2+2.5O2+70%Ar氣體初始?jí)毫π∮谄渌鶎?duì)應(yīng)的臨界壓力時(shí)，爆轟波在管道內(nèi)傳播情況。在此壓力下爆轟波在進(jìn)入到管道并傳播一段距離后，其速度會(huì)突然衰減并降低至0.3vCJ以下并形成爆燃波直至爆燃波徹底失效，此種傳播模式稱為失效模式。

通過(guò)對(duì)所有組分氣體在不同管道內(nèi)爆轟波速度波動(dòng)的總結(jié)得出，共存在六種不同傳播模式，分別為：模式1(穩(wěn)態(tài)爆轟)，速度在vCJ附近；模式2(快速波動(dòng)爆轟), 模式3(結(jié)巴式爆轟)，速度均在0.8vCJ～vCJ之間；模式4(馳振爆轟)，速度在0.4vCJ～1.4vCJ;模式5(低速爆轟),速度在0.5vCJ的; 模式6(爆轟失效狀態(tài)),速度小于0.5vCJ。

對(duì)于給定的氣體，隨著初始?jí)毫Φ慕档?，爆轟波將從穩(wěn)態(tài)傳播模式向速度波動(dòng)較大的非穩(wěn)態(tài)傳播模式轉(zhuǎn)變，且在某些特定的壓力下，將交替出現(xiàn)多種傳播模式，如圖9所示，當(dāng)爆轟波進(jìn)入管道后，以快速波動(dòng)模式在管道內(nèi)傳播，在傳播至約600 mm處時(shí)，出現(xiàn)馳振爆轟模式，隨后爆轟波又恢復(fù)至快速波動(dòng)模式繼續(xù)在管道內(nèi)傳播。從圖9可以看出，爆轟波速度在0.9vCJ處形成波峰，表明存在快速波動(dòng)模式，同時(shí)在1.3vCJ處爆轟波速度發(fā)生過(guò)載，表明存在馳振爆轟現(xiàn)象。根據(jù)不同傳播模式下速度的波動(dòng)范圍，對(duì)采用的碳?xì)浠旌衔锉Z波傳播模式進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 不同管徑和初始?jí)毫ο挛宸N碳?xì)浠旌衔锉Z傳播模式分類Table 1 The various evlution modes of the five tested mixtures in different diameter tubes and initial pressures

注：表中管徑的單位為mm。

由表1可以看出，對(duì)于活化能較低的高濃度氬氣(70%和85%)稀釋后的C2H2+2.5O2混合氣(Ⅰ，Ⅱ)，隨著初始?jí)毫Φ慕档?，兩種氣體爆轟波在管道內(nèi)穩(wěn)定傳播，只出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)(模式1)，快速波動(dòng)(模式2)及失效(模式6)三種傳播模式，并沒(méi)有出現(xiàn)較大速度波動(dòng)模式，如結(jié)巴式(模式3)及馳振式爆轟(模式4)模式等。對(duì)于活化能較高的C2H2+5N2O(Ⅲ)、C3H8+5O2(Ⅳ)和CH4+2O2(Ⅴ)三種氣體，爆轟波傳播過(guò)程非常不穩(wěn)定。隨著初始?jí)毫Φ闹饾u降低，爆轟波速度波動(dòng)逐漸增大。對(duì)于結(jié)巴式爆轟，僅存在于Ⅳ、Ⅴ兩類氣體爆轟波在內(nèi)徑為12.7 mm管道內(nèi)傳播的過(guò)程中，且對(duì)應(yīng)的壓力范圍很小，而對(duì)于Ⅲ種氣體，則未發(fā)現(xiàn)結(jié)巴式爆轟。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類氣體爆轟波在不同內(nèi)徑管道內(nèi)傳播時(shí)均觀察到馳振爆轟現(xiàn)象。在相同管道內(nèi)出現(xiàn)馳振爆轟時(shí)，Ⅴ類混合氣體所對(duì)應(yīng)的臨界壓力遠(yuǎn)大于Ⅲ、Ⅳ兩類混合氣體出現(xiàn)馳振爆轟的臨界壓力，說(shuō)明Ⅴ類混合氣體非常不穩(wěn)定。通過(guò)比較三種不同混合氣體在不同內(nèi)徑管道內(nèi)出現(xiàn)馳振爆轟的壓力區(qū)間可以得出，隨著管徑的逐漸增大，馳振爆轟所出現(xiàn)的壓力區(qū)間逐漸減小，如Ⅴ類混合氣體在內(nèi)徑為1.5 mm管道內(nèi)所對(duì)應(yīng)的馳振爆轟壓力區(qū)間為84～32 kPa，而在內(nèi)徑為12.7 mm管道中傳播時(shí)壓力區(qū)間范圍減小至10～4 kPa。對(duì)于小內(nèi)徑(1.5 、3.2 mm)管道，在爆轟波失效之前均出現(xiàn)低速爆轟模式，但其壓力區(qū)間很小，而在內(nèi)徑為12.7 mm管道內(nèi)卻未發(fā)現(xiàn)低速爆轟模式，說(shuō)明低速爆轟模式依賴于管道內(nèi)徑尺寸。

3 結(jié) 論

(1)臨近極限狀態(tài)下，爆轟波在管道內(nèi)傳播的速度波動(dòng)逐漸增大，會(huì)呈現(xiàn)六種不同的傳播模式：穩(wěn)態(tài)、快速波動(dòng)、結(jié)巴式、馳振式、低速以及失效模式。對(duì)于特定組分氣體，在某些特定壓力下，交替出現(xiàn)多種傳播模式。

(2)對(duì)于活化能較低的混合氣體，如C2H2+2.5O2+70%Ar和C2H2+2.5O2+85%Ar，在其傳播過(guò)程中速度波動(dòng)較小，只存在穩(wěn)態(tài)、快速及失效模式；而對(duì)于活化能較高的C2H2+5N2O、C3H8+5O2和CH4+2O2三種混合氣，在其傳播過(guò)程中速度存在較大波動(dòng)，且隨著初始?jí)毫Φ闹饾u降低，依次出現(xiàn)六種傳播模式。

(3)管道尺寸能影響爆轟在管道中的傳播模式的形成及演變，CH4+2O2混合氣體的非穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于C3H8+5O2和C2H2+5N2O兩種氣體，且出現(xiàn)馳振爆轟的壓力區(qū)間隨著管徑的增加而逐漸減小。