N2O/C2H4/CO2預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ゼ氨ㄌ匦缘脑囼?yàn)研究

曾祥敏，張玉剛，蔣榕培，李智鵬，徐 森,4，李玉艷，劉大斌

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.徐州市公安局，江蘇 徐州 221000；3.北京航天試驗(yàn)研究所，北京 100074；4. 國家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 南京 210094)

引 言

氧化亞氮(N2O)因具有安全、無毒、多模塊、自增壓等優(yōu)良特性，被視為極具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮趸瘎1-2]。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，N2O易與可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸，在特定條件下出現(xiàn)爆燃轉(zhuǎn)爆轟，引發(fā)嚴(yán)重事故，限制了其安全使用[3-4]。因此，研究N2O與可燃?xì)怏w的燃燒和爆炸特性，可對(duì)N2O作為氧化劑的安全應(yīng)用提供參考。

國內(nèi)外學(xué)者已開展N2O與可燃?xì)怏w燃燒特性的相關(guān)研究。如Bane等[5]研究了化學(xué)當(dāng)量比及經(jīng)氮?dú)庀♂尩腘2O/H2層流燃燒速度和化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理；Pfahl等[6]測量了經(jīng)N2、CH4、NH3和空氣稀釋的H2/N2O混合氣體的爆轟胞格寬度、爆轟速度和壓力，研究不同稀釋氣體對(duì)H2/N2O爆轟性能的影響；Mével等[7]測量了空氣稀釋條件下在球形彈體中H2/N2O的火焰速度，并進(jìn)行了化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬；Zhang等[8]系統(tǒng)研究了C2H2/N2O/空氣的爆轟動(dòng)態(tài)參數(shù)、臨界直徑和臨界點(diǎn)火能量。對(duì)N2O與C3H8、C2H4、C2H5OH等混合組成的推進(jìn)劑國內(nèi)外已有大量研究，其中N2O與C2H4復(fù)合制備的推進(jìn)劑因具有優(yōu)良的點(diǎn)火性能和能量性能而備受關(guān)注[1-2]。Venkatesh等[4,9]在內(nèi)徑10cm、長62cm的合金鋼管中進(jìn)行了當(dāng)量比N2O/C2H4預(yù)混氣體高壓燃燒試驗(yàn)，研究初始?jí)毫?duì)混合氣體爆壓、爆速和感應(yīng)距離的影響，并用火焰加速理論、爆轟理論和爆燃轉(zhuǎn)爆轟機(jī)理對(duì)試驗(yàn)結(jié)果展開討論；Zhang等[10]在4、14、36mm的細(xì)管中進(jìn)行當(dāng)量比N2O/C2H4混合氣體燃燒試驗(yàn)，研究了不同管徑和不同壓力對(duì)混合氣體燃燒速度的影響，獲得了爆轟速度與初始?jí)毫?、管徑之間的關(guān)系；Ovileanu等[11]進(jìn)行了經(jīng)體積分?jǐn)?shù)60%的 N2稀釋的N2O/C2H4爆炸試驗(yàn)，研究了混合體系的最大爆炸壓力和壓力上升速率。N2O基推進(jìn)劑在國際上已有應(yīng)用，但自燃和回火問題仍未解決[12-13]，而加入惰性氣體能有效改善混合體系的燃燒和爆炸性能。

本研究在化學(xué)當(dāng)量比的N2O/C2H4中加入惰性氣體CO2，采用高速攝影儀和壓力傳感器測量N2O/C2H4/CO2預(yù)混氣體的火焰速度、超壓、沖擊波速度等，探究N2O/C2H4/CO2火焰?zhèn)鞑ズ捅Z特性，為解決N2O基推進(jìn)劑的自燃和防回火問題提供參考。

1 試 驗(yàn)

為研究推進(jìn)劑在管道中的燃燒和爆轟行為，加入障礙物以提高反應(yīng)的進(jìn)程，試驗(yàn)在帶有加速裝置的燃燒管中進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1，主要由燃燒管、傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器、高速攝影儀和電阻絲等組成。燃燒管為內(nèi)含加速環(huán)，長200cm、內(nèi)徑1.5cm的透明有機(jī)玻璃管，其中加速環(huán)為長30cm、外徑1.5cm金屬絲繞成的螺旋環(huán)。點(diǎn)火位于燃燒管緊鄰加速環(huán)的一端，分別在距點(diǎn)火10、40、60、80、100、120、140和160cm處安裝傳感器，根據(jù)傳感器距離和壓力波傳播的時(shí)間，可以計(jì)算沖擊波速度。高速攝影儀在距燃燒管5m處拍攝火焰，根據(jù)攝影儀拍攝速度和火焰鋒面與點(diǎn)火處的距離(R)可計(jì)算出火焰速度。傳感器采用PCB高頻壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集儀采用Adlink Technology公司開發(fā)的PXI-8565采集器,該系統(tǒng)共有8個(gè)并行通道，每通道頻響為1MHz。高速攝影儀采用日本Photron公司生產(chǎn)的“Fastcam”系列攝影儀，拍攝速度可達(dá)20000f/s。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

為研究N2O/C2H4/CO2預(yù)混氣體的爆炸特性又不顯著降低其能量，本試驗(yàn)中混合氣體N2O、C2H4、CO2質(zhì)量比為9∶1∶1，其中N2O和C2H4化學(xué)當(dāng)量比約為1?；旌蠚怏w采用分壓法配制，實(shí)驗(yàn)前先將燃燒管抽真空，然后充入混合氣體，試驗(yàn)時(shí)管內(nèi)為常壓，燃燒管出口端開放無約束。點(diǎn)火采用電壓20V、電流10A的直流電源，電阻絲通電點(diǎn)燃混合氣體，燃燒波傳播到第一個(gè)傳感器(10cm處)時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集儀，記錄超壓及壓力波到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間；點(diǎn)火同時(shí)高速攝影儀拍攝火焰。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰?zhèn)鞑ヌ卣?/h3>

在0.2、0.4、0.6、0.8、1.2和1.4ms時(shí)N2O/C2H4/CO2預(yù)混氣體的火焰高速攝影見圖2，拍攝速度為10000f/s(間隔時(shí)間0.1ms)，照片以出現(xiàn)可見火焰作為0時(shí)刻。

圖2 火焰高速攝影照片(10000f/s)Fig.2 High speed digital images of flame(10000f/s)

從圖2可以看出，0.2ms時(shí)火焰居中且較小，呈黃色，縱向?qū)挾惹逸^??；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，火焰擴(kuò)散到整個(gè)橫截面，呈亮白色，縱向?qū)挾仍龃?，火焰陣面形成?duì)稱的Tulip結(jié)構(gòu)，且火焰充滿已燃區(qū)域；1.4ms時(shí)火焰鋒面到達(dá)燃燒管末端，火焰擴(kuò)散至燃燒管外，并充滿已燃區(qū)域。

火焰鋒面的位移曲線和速度曲線見圖3。

圖3 火焰鋒面位移曲線和速度曲線Fig.3 Displacement curve and velocity curve of flame front

由圖3(a)可知，火焰鋒面到達(dá)燃燒環(huán)末端的距離先緩慢增加，0.4ms后快速增加，到達(dá)200cm后減慢。由圖3(b)可知，點(diǎn)火初期火焰速度從120m/s增加到350m/s，然后快速增長，0.7ms時(shí)達(dá)到最大，略微減小后以相對(duì)穩(wěn)定的速度在燃燒管中傳播，1.2ms后快速減小。火焰在燃燒管中可大致分為點(diǎn)火期、加速期、穩(wěn)定傳播期和衰減期4個(gè)階段：電源接通后預(yù)混氣體受熱被點(diǎn)燃，火焰開始形成，速度慢，為點(diǎn)火期；火焰形成后經(jīng)過螺旋環(huán)，湍流加劇，火焰加速，此階段為加速期；隨后螺旋環(huán)加速效果結(jié)束，火焰以相對(duì)穩(wěn)定的速度在燃燒環(huán)中傳播，此階段為穩(wěn)定傳播期；當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ寥紵苣┒藭r(shí)受到的約束減弱，同時(shí)預(yù)混氣體濃度減小，火焰速度降低，此階段為衰減期。結(jié)合圖3可知，火焰鋒面到達(dá)燃燒環(huán)末端30cm處的時(shí)間為0.541ms，而在0.541ms后火焰繼續(xù)加速，0.7ms時(shí)達(dá)到最大速度2235.2m/s，然后速度略有減小。說明火焰經(jīng)過螺旋環(huán)后，形成的湍流對(duì)火焰仍存在持續(xù)的加速作用，0.7ms持續(xù)加速作用結(jié)束。

2.2 超壓成長特征

圖4為8個(gè)傳感器的壓力曲線。

圖4 距離點(diǎn)火不同位置處的壓力曲線Fig.4 Pressure curves in different positions from ignition

從圖4可以看出，10cm處超壓先緩慢上升，再快速上升至最大值，壓力變化呈漸變，壓力正在成長，傳感器壓力存在一個(gè)持續(xù)約0.1ms的高壓狀態(tài)，說明此處存在具有一定長度的反應(yīng)區(qū)，這是因?yàn)轭A(yù)混氣體點(diǎn)火后還處于燃燒階段，燃燒產(chǎn)物正在膨脹，與喻健良等[14]的試驗(yàn)結(jié)果一致，結(jié)合火焰成長過程，預(yù)混氣體正在由爆燃轉(zhuǎn)向爆轟。其余7個(gè)傳感器超壓都陡然上升，然后有規(guī)律地波動(dòng)衰減，表明燃燒管中出現(xiàn)了沖擊波，爆燃已經(jīng)轉(zhuǎn)化為爆轟，并在管中傳播。傳感器壓力在衰減過程中出現(xiàn)上升的余波，然后再次逐漸衰減，這是因?yàn)槌瑝貉厝紵芟蚯皞鞑r(shí)遇到未反應(yīng)氣體，沖擊波發(fā)生反射，回傳的壓力導(dǎo)致余波出現(xiàn)，回傳余波的波動(dòng)程度與首次出現(xiàn)的壓力變化相對(duì)應(yīng)，即超壓漸變時(shí)，回傳波也表現(xiàn)為漸變；首次超壓突變時(shí)，回傳波也表現(xiàn)為突變。

2.3 爆轟特性分析

用氣體爆炸C-J理論計(jì)算預(yù)混氣體的爆轟參數(shù)[15]，計(jì)算過程如下：

不考慮爆炸產(chǎn)物解離，首先根據(jù)試驗(yàn)配方寫出預(yù)混氣體爆轟的反應(yīng)方程式：

5.73 N2O + C2H4+ 0.64 CO2→5.73 N2+

2.36 CO2+ 0.27 CO + 2 H2O + 1715.56kJ

然后根據(jù)爆炸產(chǎn)物的平均熱容計(jì)算爆溫：

∑cVi= 242.95 + 350.25×10-4t

t=4342.63(K)

Td=t+273=4615.63(K)

式中：t為反應(yīng)釋放的熱量使爆炸產(chǎn)物升高的溫度；Td為混合氣體按爆熱計(jì)算的爆炸溫度，實(shí)際爆炸中需要進(jìn)一步修正：

式中：γ為Td時(shí)爆炸產(chǎn)物的絕熱常數(shù)；T2為修正后的爆溫。

根據(jù)爆溫計(jì)算爆速：

根據(jù)爆速計(jì)算爆壓：

式中：ρ0為初始反應(yīng)物的密度。

經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)條件下N2O/C2H4/CO2預(yù)混氣體的C-J理論爆速為2366.75m/s，理論爆壓為4.26MPa，將理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不同位置峰值壓力變化曲線見圖5。距點(diǎn)火10cm處峰值壓力明顯低于C-J理論值，這是因?yàn)轭A(yù)混氣體剛開始反應(yīng)，火焰還處于爆燃階段，壓力還在成長，未形成沖擊波。其余與理論值相差不大，其中100cm處壓力高于理論值，3次試驗(yàn)結(jié)果一致，其中最大壓力為4.66MPa。這是因?yàn)闆_擊波在向前傳播時(shí)，不斷壓縮和加熱未燃?xì)怏w，預(yù)混氣體在此處反應(yīng)時(shí)的初始?jí)毫Ω哂谌紵艹跏級(jí)毫?，而在此處產(chǎn)生過爆，試驗(yàn)結(jié)果與Venkatesh等[4]的研究結(jié)果一致。

圖5 不同位置峰值壓力曲線Fig.5 Peak pressure value curves at different positions

預(yù)混氣體火焰速度、沖擊波速度、理論速度(DC-J)與點(diǎn)火距離的關(guān)系見圖6。

圖6 火焰、沖擊波和C-J速度與點(diǎn)火距離的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves of flame, shock wave and C-J velocity with ignition distance

從圖6可以看出，最大沖擊波速度出現(xiàn)在距點(diǎn)火距離140～160cm之間，為2247m/s；除90cm處速度略小外，沖擊波速度穩(wěn)定并與火焰穩(wěn)定速度保持一致，燃燒管內(nèi)形成爆轟，爆轟波以2000～2250m/s向未燃區(qū)傳播。在距點(diǎn)火距離90cm外速度減小是因?yàn)槿紵h(huán)的持續(xù)作用消失、湍流減弱等造成沖擊波出現(xiàn)波動(dòng)?；鹧嫒紵淖畲笏俣群捅Z波最大速度均小于預(yù)混氣體C-J理論爆速，這是試驗(yàn)中燃燒管的約束等試驗(yàn)條件造成的。最大火焰速度和最大沖擊波速度與C-J理論爆轟速度的偏差分別為5.54%和5.1%，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

3 結(jié) 論

(1)預(yù)混氣體在燃燒管內(nèi)快速燃燒，火焰呈對(duì)稱的Tulip結(jié)構(gòu)，在燃燒管中可分為點(diǎn)火期、加速期、穩(wěn)定傳播期和衰減期4個(gè)階段。

(2)預(yù)混氣體在燃燒管出現(xiàn)了爆燃轉(zhuǎn)爆轟，爆轟波在燃燒管中傳播時(shí)遇到未燃?xì)怏w，沖擊波發(fā)生反射出現(xiàn)回傳余波，余波的壓力變化與初次出現(xiàn)的壓力變化規(guī)律一致。穩(wěn)定爆壓與C-J理論爆壓相差不大，最大爆轟壓力為4.66MPa。

(3)最大火焰速度為2235.2m/s，最大沖擊波速度為2247m/s，與C-J理論爆轟速度的偏差分別為5.54%和5.1%，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。