初始壓力對發(fā)散圓柱形爆轟波結構影響的試驗研究*

趙煥娟，藥慧妹，林 敏，蕭星宇，王家俊

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083 2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點試驗室--省部共建國家重點試驗室培育基地，河南焦作 454003 3.北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191 4.麥吉爾大學機械學院，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，在某些可燃介質中的傳播速度甚至高達每秒幾千米，并維持穩(wěn)定的激波強度[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)展的關鍵內容。此外，隨著對爆轟形成過程和傳播機理的進一步研究發(fā)現(xiàn)，利用爆轟釋放的巨大能量可以將其高破壞性轉化為強驅動力，更高效地解決工程實際中的某些問題，如沖壓加速發(fā)射技術、常規(guī)兵器、高能碰撞、超高速動力試驗等[4-6]。

爆轟胞格結構是氣相爆轟機理研究的基礎[7-9]，受邊界條件影響，與初始壓力、爆轟極限、爆轟速度等條件有關，研究過程通常采用數(shù)字圖像處置技術。T. P. Gavrilenko等[10]采用C2H2+O2，設計臨界直徑為25 mm，初始壓力為2.200 kPa的試驗，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，小半徑處某些相鄰軌跡會合并，橫波數(shù)量略有減少。喻建良等[11]利用內徑12.7 mm，管長3.5 m的圓形截面管道，研究了初始壓力30，18，14，12，8 kPa時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構，發(fā)現(xiàn)初始壓力不同時，會出現(xiàn)不同的火焰?zhèn)鞑ツＪ?，其胞格結構也會產生變化。Lee等[12]在研究Shepherd等算法的基礎上，進行了軌跡圖片的數(shù)字處理。趙煥娟等[13]使用自相關方法研究了穩(wěn)定氣與不穩(wěn)定氣的手繪胞格結構圖案，使用數(shù)字圖像處理技術分析煙膜結果，將三波點軌跡分成左向和右向波進行后續(xù)分析。

C2H2燃燒速度較快，與O2在當量比為1∶2.5混合的情況下容易形成爆轟。Ar性質穩(wěn)定，是最常用的惰性氣體，可作為稀釋劑[14]。加入Ar后進一步提高預混氣爆轟的穩(wěn)定性，可得到較為規(guī)則的胞格結構。設計內徑3.2 mm，長500 mm的驅動段鋼管和直徑32 mm鋼化玻璃試驗臺，開展C2H2+2.5O2+85%Ar預混氣在初始壓力分別為55，45，40，30 kPa時的爆轟試驗，并采用高速攝影技術記錄爆轟瞬間產生的端面胞格結構，通過對比研究4個初始壓力下的胞格結構和臨界條件，剖析初始壓力對發(fā)散圓柱形爆轟波結構的影響，同時為后續(xù)研究圓柱形爆轟的臨界條件增加例證。

2 爆轟試驗準備

2.1 試驗臺搭建

驅動段鋼管的臨界管徑與胞格尺寸存在定量線性關系。張博等[15]研究得到C2H2+2.5O2和不同濃度預混氣作為燃料時的爆轟臨界管徑和胞格尺寸關系。臨界起爆能量的預測模型依賴于爆轟臨界管徑，當預混氣體初始壓力不變，隨著管道內徑的減小，在管道內傳播的爆轟波的平均速度將降低[16]。這是由于初始壓力不變時，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，設定試驗中驅動段鋼管內徑為3.2 mm，長500 mm，鋼化玻璃板直徑為32 mm。試驗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。采用控制面板調節(jié)試驗進程：①輸入氣體后，用真空泵將多余的預混氣抽出；②關閉真空泵，用點火塞點火，燃燒氣體經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構。圖2所示為驅動段鋼管實物。

圖1 試驗裝置

2.2 試驗裝置氣密性檢查

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、閥門及焊縫嚴密性，如壓力不降、無泄漏，則嚴密性試驗合格。如果發(fā)現(xiàn)泄漏問題，應及時減壓排氣，修補缺陷后重復檢查。校準分壓，反復調試裝置確保安全。

圖2 裝置實物

2.3 C2H2+2.5O2+85%Ar預混氣制備

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

3 試驗結果

在爆轟試驗臺輸入C2H2+2.5O2+85%Ar預混氣后，關閉預混氣閥門，將多余預混氣抽真空，關閉真空泵，點火后放電。在點火瞬間，利用持續(xù)曝光相機和補償式條紋相機記錄氣體爆轟波在初始壓力從60 kPa逐漸降至24 kPa下的胞格結構，獲得爆轟波從穩(wěn)態(tài)傳播到逐漸失效的過程。

反復試驗發(fā)現(xiàn)，當初始壓力低于29 kPa后，高速攝影機無法捕捉到爆轟現(xiàn)象，可知爆轟波在該管道內失效時的臨界壓力為29 kPa。為觀察初始壓力對圓柱形爆轟胞格結構的影響，選取55，45，40，30 kPa為初始壓力進行多次試驗，獲得端面胞格結構如圖3。

試驗發(fā)現(xiàn)，爆轟胞格為由內向外擴散的網狀結構，中心均為黑色實心圓，沒有形成胞格結構。當初始壓力為55 kPa時，端面爆轟胞格十分規(guī)則，半徑內小外大，呈向外擴散的形態(tài)，胞格尺寸近似不變，且胞格較小，數(shù)量較多。初始壓力為45 kPa時，端面的胞格尺寸增加，三波點軌跡在外圈呈鋸齒狀。初始壓力為40 kPa時，胞格尺寸增加，三波點軌跡的交點減少，更多分布在外圈。初始壓力為30 kPa時，三波點軌跡交點明顯減少，在圖像中觀察不到明顯的胞格結構。

圖3 不同初始壓力下的爆轟胞格

4 結果分析

4.1 胞格結構與尺寸

在一端封閉一端開口的長管中點燃預混氣會形成燃燒波，正常火焰?zhèn)鞑サ囊讶細怏w壓縮未燃混合氣會產生壓縮波，當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氣體提供的能量進而形成穩(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，三波點的運動軌跡會形成魚鱗狀的圖案，稱為胞格。胞格是三維結構，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)的胞格結構主要為魚鱗狀或菱形的圖案。通過高速攝影技術記錄在爆轟瞬間呈現(xiàn)于鋼化玻璃板上的胞格結構，初始壓力分別為30，40，45，55 kPa時的胞格結構模擬圖如圖4。

圖4 4種初始壓力下的模擬胞格結構

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]。以爆轟胞格結構的中心點為圓心，特定傳播半徑[19]的圓與爆轟波波陣面三波點的交點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為各初始壓力下，傳播半徑為600 mm時的胞格尺寸。預混氣成分、起爆能量、初始壓力、邊界條件等都是胞格尺寸的主要影響參數(shù)。

圖5 各初始壓力下的胞格尺寸

從圖3中看出，無論壓強大小，圖案中心均為黑色實心圓，是由于中心爆轟壓力過大，形成過驅爆轟，不產生胞格結構。如圖5(d)所示，當初始壓力為55 kPa時，爆轟波胞格十分規(guī)則，胞格尺寸大小近似不變。此時爆轟波在管道內處于穩(wěn)定傳播狀態(tài)，由于初始壓力較大，分子獲得的初始能量較多，更多的活化分子參與反應中，提高了分子間的反應速率，表現(xiàn)為胞格尺寸較小，數(shù)量較多。且由產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，導致能量降低，胞格面積變大。

當初始壓力降低時，在相同管徑和氣體組分下，爆轟波胞格尺寸逐漸增加，胞格結構越來越不規(guī)則，如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。尤其是圖5(a)，初始壓力為30 kPa時幾乎看不到清晰的胞格結構。當管中初始壓力不足時，不能產生胞格，爆轟也會衰減。但是，臨界初始壓力下的爆轟在初始階段就趨于衰減，最后爆轟轉化為自持爆轟[20-21]。

4.2 初始壓力與胞格尺寸的關系

常溫常壓下，大多數(shù)燃料的爆轟胞格尺寸很小，無法得到胞格結構[22]。當初始壓力大于爆轟的臨界壓力時，爆轟可以形成胞格結構，且在不同初始壓力作用下，爆轟的胞格尺寸也有較大變化[23]。為進一步探究初始壓力與爆轟波的胞格尺寸的關系，以爆轟結構中心點為圓心，取傳播半徑分別為500，600，700 mm，獲得初始壓力分別為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壓力呈負相關。初始壓力較大時，胞格尺寸較??；當初始壓力減小時，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 不同初始壓力條件下胞格尺寸的試驗結果

圖6 4種不同初始壓力下的胞格尺寸

此外，由各傳播半徑下平均距離的方差可知，隨著初始壓力的增大，方差逐漸減小，如圖7所示，表明其軌跡交點間的距離數(shù)值分布趨于集中，且接近于平均距離，胞格結構越來越規(guī)則，從所記錄的胞格結構圖可以得到印證。

圖7 4種不同初始壓力下的胞格尺寸方差

5 結論

以C2H2+2.5O2+85%Ar作為試驗所用的預混氣，通過在不同初始壓力下進行的多次試驗，使用高速攝像機記錄了爆轟胞格結構，經分析得到以下結論：

a) 初始壓力高于臨界壓力時，柱爆轟產生的胞格較為規(guī)則，呈網狀結構，且壓力越大，產生的爆轟胞格越小；接近臨界壓力時，爆轟胞格不明顯；中心爆轟壓力大，處于過驅爆轟，故柱爆轟中心沒有產生胞格結構。

b) 由于邊界效應，爆轟波與管壁碰撞摩擦有能量損失，胞格結構以柱軸為中心大體呈現(xiàn)出內小外大的形式。從試驗結果來看，采用初始壓力為55 kPa進行柱爆轟可以得到結構清晰、大小規(guī)則的理想胞格結構。