不同角度分叉管道內(nèi)氫氣-空氣爆轟傳播特性*

喻健良，詹瀟兵，呂先舒，侯玉潔，閆興清，于小哲

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116024）

分叉管道中的爆轟傳播現(xiàn)象一直受到廣泛關(guān)注。在爆轟推進技術(shù)方面，特別是脈沖爆轟發(fā)動機（pulse detonation engine, PDE），應(yīng)用分叉管道內(nèi)爆轟繞射進入下游支管以實現(xiàn)串聯(lián)點火起爆，這種起爆方式能有效降低發(fā)動機燃燒室內(nèi)點火能量，縮短起爆時間和距離，促進發(fā)動機高效運轉(zhuǎn)[1-3]。在工業(yè)安全防護中，可燃氣輸運管道爆炸事故時有發(fā)生，在分叉管路中，爆轟波的繞射傳播會造成分叉口及其下游支管爆炸特征突變，隱含更大危險性和不確定性[4-5]，特別是對于擴散能力強、反應(yīng)活性高和爆炸極限范圍寬的氫氣。因此，分叉管道內(nèi)爆轟傳播特征的研究對涉及以氫氣為燃料的工程應(yīng)用及其管道運輸安全都具有重要意義。

爆轟波由前沿誘導(dǎo)激波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)耦合而成，而誘導(dǎo)激波又是由入射激波與馬赫桿交替形成的非平面波，因此爆轟波在分叉管道內(nèi)發(fā)生繞射時會出現(xiàn)復(fù)雜的傳播現(xiàn)象。學(xué)者們圍繞 T 形管道內(nèi)的爆轟波繞射已做了一系列研究。Guo 等[6]通過煙跡法對預(yù)混氣 H2/O2/Ar 爆轟波在橫截面為 40 mm×40 mm T 形分叉管內(nèi)的繞射傳播進行了研究，發(fā)現(xiàn)在分叉管道內(nèi)爆轟波傳播經(jīng)歷衰減、解耦、爆轟轉(zhuǎn)爆燃、重起爆過程。王昌建等[7-8]、Wang 等[9]結(jié)合紋影以及數(shù)值模擬等方法對流場變化進行了研究，確定了稀疏波對爆轟衰減的影響以及入射激波與壁面碰撞反射誘導(dǎo)二次起爆過程，爆轟失效后在支管下游 4～6 倍管道內(nèi)徑處重新恢復(fù)到自持爆轟狀態(tài)。Heidari 等[10]基于 ILES 求解器對爆轟波繞射、解耦和重起爆過程進行了數(shù)值模擬，明確了 T 形管道作為擾動源對爆轟波繞射局部變化的影響。Jiang 等[11]對 T 形管道內(nèi)爆轟失效后重起爆機理進行了進一步分析，發(fā)現(xiàn)分叉管道內(nèi)入射波與壁面碰撞反射形成的橫波數(shù)量越多，強度越高，爆轟就越容易在衰減后恢復(fù)到自持狀態(tài)。盧秦尉等[12]發(fā)現(xiàn)當 H2/O2/Ar 混合物中 Ar 體積分數(shù)提高到 70% 時，爆轟波經(jīng)過分叉管道后解耦成爆燃波且不再復(fù)耦，這也表明了爆轟強度會影響分叉管道內(nèi)的重起爆過程。隨著研究的深入，氣相爆轟波經(jīng)過 90° （T 形）管道繞射進入支管內(nèi)的衰減和重起爆機理不斷明晰。

但是，現(xiàn)有的研究表明管道的幾何結(jié)構(gòu)也會嚴重影響爆轟波繞射現(xiàn)象，如凝聚相炸藥爆轟波的拐角效應(yīng)[13-15]和不同曲率彎管內(nèi)爆轟傳播狀態(tài)差異[16-18]等。因此，探究不同分叉角度管道內(nèi)的氣相爆轟傳播特征的差異，有利于認識分叉結(jié)構(gòu)對爆轟波繞射的影響，并進一步揭示爆轟波繞射機理。然而，目前對氣相爆轟在不同角度分叉管道內(nèi)繞射現(xiàn)象仍缺乏系統(tǒng)性研究。

因此，本文中對30°、45°和90°（T 形）圓形分叉管道內(nèi)不同初始壓力下的預(yù)混氫氣（H2）-空氣（air）（氫氣的體積分數(shù)為29.5% ）爆轟傳播狀態(tài)進行實驗研究，分析不同角度分叉管道內(nèi)爆轟傳播的變化規(guī)律，明確管道分叉角度對爆轟傳播的影響，以期為工程應(yīng)用和可燃氣管道爆炸安全防護提供參考。

1 實 驗

實驗系統(tǒng)如圖1 所示，由密閉實驗管道、配氣系統(tǒng)、高壓脈沖點火系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 4 部分組成。密閉實驗管道內(nèi)徑d為52 mm。該實驗管道由點火段、驅(qū)動段、過渡段、分叉三通、直通支管、分叉支管和前后端盲板組成。點火段長度為300 mm；驅(qū)動段長度為1 300 mm，內(nèi)置Shchelkin 螺旋管；過渡段長度為1 000 mm。實驗中分別采用分叉三通連接主管和支管，其中分叉三通的分叉角度α 為30°、45° 和 90°。點火段采用 10 kV 雙頭高壓電極點火，點火持續(xù)時間為1.0 s。燃燒波經(jīng)過驅(qū)動段內(nèi)螺旋管加速后在分叉三通前形成爆轟波，并經(jīng)過分叉三通向下游直通支管和分叉支管內(nèi)傳播。配氣系統(tǒng)由真空泵、高壓氣瓶、預(yù)混氣瓶、壓力表以及高壓軟管和閥門等組成。在預(yù)混氣瓶和實驗管道中配氣時，壓力通過2 個精度相同的精密數(shù)字壓力表監(jiān)測，壓力表量程分別為-10 0 ～2 0 00 k P a 和-100～500 kPa，滿量程精度為 ±0.1%。為了確定不同角度分叉管道主管和支管內(nèi)的爆轟傳播特征，根據(jù)實驗工況對火焰?zhèn)鞲衅?(N1～N13) 間隔 200～400 mm 進行合理布置。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system

采用道爾頓分壓法，在預(yù)混氣瓶中配置化學(xué)計量比氫氣/空氣（29.5% H2/air）預(yù)混氣，并靜置 24 h。使用真空泵對實驗管道抽真空至低于 0.1 kPa，通入預(yù)混氣體至既定初始壓力p0，關(guān)閉進氣閥，并通過控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成點火和數(shù)據(jù)采集。

預(yù)混氣被引爆后，爆炸火焰經(jīng)過實驗室自制的 DUTA LightDe 型火焰?zhèn)鞲衅鲿r，光電二極管接收火焰鋒面向外輻射的光信號，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化成電壓信號，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。采集到電壓值開始升高時對應(yīng)的時間即為火焰鋒面到達火焰?zhèn)鞲衅魑恢玫臅r間。當處于爆轟傳播狀態(tài)時，火焰鋒面緊隨爆轟波，因此通過讀取電壓信號即可確定爆轟波到達時間。具體測試結(jié)果如圖2 所示，橫坐標表示火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏焦庑盘柕臅r間，左側(cè)的縱坐標表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的電壓信號，右側(cè)縱坐標表示火焰?zhèn)鞲衅髋c點火端的距離。計第1 個火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏焦庑盘枮榱銜r刻，隨著火焰鋒面經(jīng)過火焰?zhèn)鞲衅鳎杉降碾妷阂来螐? 升高到5.4 V，如圖中各曲線所示。根據(jù)相鄰火焰?zhèn)鞲衅鏖g距離和響應(yīng)時間關(guān)系，即可計算平均火焰?zhèn)鞑ニ俣?，如圖中折線所示。以第3 和第4 個火焰?zhèn)鞲衅鳛槔?，其距離dx3=300 mm，接收到火焰信號的時間差dt3=0.153 ms，則平均火焰?zhèn)鞑ニ俣葀3=dx3/dt3≈1 961.8 m/s。將測得的速度與29.5% H2/air 在298.15 K 以及對應(yīng)初始壓力下CEA (chemical equilibrium with application) 程序[19]計算的理論爆轟速度相對照，確定爆炸傳播狀態(tài)。

圖2 爆炸火焰信號的采集與處理Fig. 2 Acquisition and processing of explosion flame signals

實驗采用煙跡法記錄爆轟波進入分叉管道后的胞格結(jié)構(gòu)變化，薄膜選用厚度為 0.1 mm 的不銹鋼，實驗前將煙熏薄膜固定于管道內(nèi)既定位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 分叉管道內(nèi)爆轟波傳播速度的變化

圖3 為在直管道內(nèi)不同初始壓力下H2/air爆炸傳播速度變化特征。橫坐標為測點與點火端距離，縱坐標為相鄰測點間的平均速度，圖中2 條虛線分別表示該實驗最低初始壓力（p0=16 kPa）和最高初始壓力（p0=21 kPa）對應(yīng)的理論爆轟速度，即當p0=16～21 kPa 時，對應(yīng)理論爆轟速度vCJ=1 922.8～1 929.3 m/s。如圖3 所示，當p0=16 kPa 時，在 2 100 mm 處火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到約950 m/s（約0.5vCJ），此后速度逐漸降低，未能形成爆轟。當p0=17 kPa 時，2 100 mm 處火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到vCJ，下游速度在vCJ附近波動。隨著初始壓力繼續(xù)升高，速度在vCJ上下波動幅度減小，爆轟穩(wěn)定性增強。以此判定，在本實驗工況下，以p0=17 kPa 為臨界壓力，當p0≥17 kPa 時燃燒波經(jīng)過實驗管道驅(qū)動段和過渡段后能形成爆轟波。

圖3 直管道內(nèi)不同初始壓力下爆炸傳播速度變化Fig. 3 Velocity variation of explosion propagation in the straight tube at different initial pressures

圖4 為不同初始壓力下化學(xué)計量比 H2/air 爆轟波經(jīng)過30°、45° 和 90°分叉三通進入直通支管過程中的速度變化，其中陰影部分表示爆轟波在分叉口前的傳播速度。如圖4(a) 所示，當爆轟波經(jīng)過 30° 分叉三通進入直通支管的過程中，爆轟波傳播速度衰降至最低，隨后逐漸升高。當p0＜30 kPa 時，爆轟波傳播速度存在較大波動，根據(jù)速度增長趨勢，重起爆距離（即爆轟波經(jīng)過分叉口衰減后重新形成爆轟波的距離，用L表示）約為 16d，甚至更長；當p0=30～40 kPa 時，爆轟波傳播速度衰減后恢復(fù)至理論爆轟速度的距離明顯縮短，約為 14d；隨著初始壓力進一步升高，爆轟波傳播速度的衰減顯著減弱，同時在直通支管下游 8d左右位置恢復(fù)到爆轟狀態(tài)。而當爆轟波經(jīng)過 45° 分叉三通進入直通支管時，如圖4(b) 所示，爆轟波傳播速度同樣呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。其中當p0=18 kPa 時，爆轟波傳播速度波動幅度大，表現(xiàn)出爆轟狀態(tài)的高度不穩(wěn)定性。而隨著初始壓力升高，爆轟波傳播速度變化趨于一致，均在衰減至 1 700～1 800 m/s 后升高，相較于爆轟波經(jīng)過 30° 分叉三通進入直通支管時的速度衰減程度顯著減小。同時，在直通支管 10d左右完成重起爆過程，并且速度呈持續(xù)上升的趨勢，并超過vCJ，表現(xiàn)出明顯的過驅(qū)現(xiàn)象。如圖4(c) 所示，爆轟波經(jīng)過 90° 分叉三通進入直通支管時，爆轟波傳播速度衰減后快速升高，在支管下游(1～2)d距離內(nèi)完成重起爆過程，隨后爆轟波傳播速度處于波動的不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 爆轟波經(jīng)過不同角度的分叉三通進入直通支管過程中的速度變化Fig. 4 Velocity variation of detonation wave through different degree bifurcated tees entering into the straight branch tube

與直通支管相比，爆轟波繞射進入分叉支管時的傳播速度衰減更劇烈，重起爆過程更復(fù)雜。圖5(a)所示，爆轟波經(jīng)過 30° 分叉三通進入分叉支管后，根據(jù)初始壓力表現(xiàn)出3 種爆轟恢復(fù)特征：當p0=17～21 kPa 時，經(jīng)過三通爆轟波傳播速度降低至約 1 000 m/s，隨后速度升高，但在距分叉口 12d附近速度呈下降趨勢，說明該初始壓力區(qū)間內(nèi)爆轟衰減后可能無法完成重起爆過程；當p0=25～30 kPa 時，速度衰減呈現(xiàn)與p0=17～21 kPa 相同的規(guī)律，但后續(xù)速度呈持續(xù)上升趨勢；當p0≥35 kPa 時，速度衰減隨著初始壓力升高逐漸減小，并在分叉口后 (12～16)d內(nèi)速度恢復(fù)到vCJ，完成重起爆過程。如圖5(b) 所示，爆轟波經(jīng)過45° 分叉三通進入分叉支管時的傳播速度以p0=55 kPa 為分界線，當p0＜55 kPa 時，爆轟波經(jīng)過分叉三通后速度持續(xù)下降至 (0.52～0.58)vCJ，但均能在支管下游 18d左右位置恢復(fù)到爆轟狀態(tài)；當p0≥55 kPa 時，爆轟波傳播速度衰減后持續(xù)增加，并在 10d左右恢復(fù)到vCJ，完成重起爆過程。如圖5(c) 所示，爆轟波經(jīng)過 90° 分叉三通進入分叉支管內(nèi)爆轟衰減明顯減弱，且速度均能在距離分叉口 (3～6)d內(nèi)恢復(fù)至vCJ。在分叉支管內(nèi)，爆轟波傳播速度同樣表現(xiàn)出波動變化，顯示出明顯的過驅(qū)現(xiàn)象以及不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在3 種角度分叉管道內(nèi)重起爆過程速度波動進一步說明了分叉管道顯著增強了爆轟傳播的不穩(wěn)定性。

圖5 爆轟波經(jīng)過不同角度得分叉三通進入分叉支管過程中的速度變化Fig. 5 Velocity variations of detonation wave through different degree bifurcated tees entering into the collateral branch tube

表1 為 30°、45° 和 90° 分叉管道的平面結(jié)構(gòu)以及支管內(nèi)爆轟衰減和重起爆特征?？梢郧逦乜吹?，在3 種分叉角度的分叉管內(nèi)，爆轟波的繞射都會造成爆轟波傳播速度的衰減，但繞射進入分叉支管時爆轟衰減更明顯，并且在支管下游經(jīng)過更長的距離完成重起爆過程。同時，從不同角度分叉管道內(nèi)的爆轟波傳播速度變化特征可以看出，在直通支管內(nèi)，隨著角度的增大，爆轟波傳播速度衰減程度顯著降低，并且重起爆距離也大幅縮短。由于通過不同角度分叉口進入直通支管后邊界條件一致，均為水平支管，因此認為支管入口面積是影響直通支管內(nèi)爆轟衰減和重起爆的主要原因，隨著支管入口面積減小，爆轟衰減程度降低，越易于恢復(fù)到爆轟狀態(tài)。但在分叉支管內(nèi)表現(xiàn)出的速度變化特征有所不同，在經(jīng)過 30° 和45° 分叉三通進入分叉支管內(nèi)爆轟衰減程度基本一致，并且在低初始壓力下，45° 分叉支管內(nèi)速度表現(xiàn)出連續(xù)衰減現(xiàn)象。但隨著分叉角度增大到 90°，爆轟衰減又顯著弱于 30° 和 45° 分叉支管。這表明，分叉支管內(nèi)不僅受到分叉支管入口面積的影響，也受到支管入口漸擴面變化程度的影響，其中在大的分叉角度內(nèi)分叉支管入口面積仍是主要因素。與此同時，隨著角度增大，重起爆距離呈現(xiàn)減小的趨勢，表明分叉角度的增大更利于恢復(fù)至爆轟狀態(tài)。在初始壓力較高時，3 種角度分叉管道內(nèi)的爆轟波傳播速度衰減程度和重起爆距離差異均縮小，這說明增大初始壓力能降低分叉三通幾何結(jié)構(gòu)對爆轟波繞射的影響程度，并且有利于減弱爆轟的衰減程度和縮短重起爆距離。

表1 直通支管和分叉支管平面結(jié)構(gòu)以及爆轟衰減和重起爆特征Table 1 Plane structures of straight and collateral branch tubes as well as detonation decay and re-initiated characteristics in them

2.2 分叉管道內(nèi)爆轟胞格結(jié)構(gòu)演化與傳播機制

初始壓力p0=40 kPa 時形成的爆轟波通過 30° 分叉三通分別進入直通和分叉支管過程的速度變化如圖6 所示。當爆轟波經(jīng)過分叉三通到達直通支管內(nèi)第 1 個測點時速度衰減至 0.79vCJ，重起爆距離約為7d，而在分叉支管內(nèi)對應(yīng)值分別為 0.56vCJ和 11d。該過程中爆轟波在分叉口附近和支管下游240～400 mm 內(nèi)形成的胞格結(jié)構(gòu)見圖7。在分叉口上游爆轟胞格結(jié)構(gòu)明顯，呈現(xiàn)自持爆轟狀態(tài)。當爆轟波傳播至分叉口時，受支管入口突擴影響，爆轟波解耦，胞格結(jié)構(gòu)消失。在直通支管安裝煙熏薄膜的位置爆轟已逐漸恢復(fù)，出現(xiàn)入射波和馬赫桿結(jié)構(gòu)，說明隨著入射激波與壁面碰撞反射增強，規(guī)則反射逐漸向馬赫反射轉(zhuǎn)變，并完成重起爆過程。同時，局部出現(xiàn)密集的小胞格結(jié)構(gòu)，反映了爆轟的不穩(wěn)定狀態(tài)。而在分叉支管相同的安裝位置，煙熏薄膜前端呈扇形無胞格結(jié)構(gòu)區(qū)，接著出現(xiàn)入射激波與壁面碰撞反射留下的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，隨后結(jié)構(gòu)逐漸清晰形成大面積細小胞格結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出不斷擴大的趨勢，表明爆轟已逐漸恢復(fù)但傳播并不穩(wěn)定。速度和胞格結(jié)構(gòu)的演變過程相互驗證了相比于直通支管，分叉支管內(nèi)的爆轟波繞射使爆轟衰減更劇烈，重起爆距離更長。

圖6 爆轟波在 30° 分叉管道內(nèi)傳播時的速度變化特征（p0=40 kPa）Fig. 6 Velocity variation of detonation wave propagation in the 30° bifurcated tube at p0=40 kPa

圖7 30° 分叉管道內(nèi)胞格結(jié)構(gòu)（p0=40 kPa）Fig. 7 Cellular structures in the 30° bifurcated tube at p0=40 kPa

圖8 為p0=40 kPa 下形成的爆轟在經(jīng)過 30°、45° 和 90° 分叉三通進入分叉支管下游 200～740 mm 內(nèi)煙熏薄膜記錄的胞格結(jié)構(gòu)演化過程。如圖8(a) 所示，爆轟波繞射進入 30° 分叉支管后，爆轟胞格結(jié)構(gòu)消失，在距離支管口 240 mm 左右出現(xiàn)扇形分界面，隨后的煙熏薄膜局部區(qū)域出現(xiàn)入射激波與壁面碰撞反射印記。隨著入射激波與下游壁面的反復(fù)碰撞加強，在過渡區(qū)域內(nèi)形成局部小胞格結(jié)構(gòu)，并且面積不斷擴大，胞格逐漸清晰，最終形成更完整的胞格結(jié)構(gòu)，但胞格尺寸大小不一。這說明，爆轟波繞射進入 30°分叉支管時，會受支管入口稀疏波影響，前沿誘導(dǎo)激波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)分離，爆轟波持續(xù)衰減，在 5d左右區(qū)域內(nèi)以爆燃波形式傳播。隨著入射激波與壁面碰撞反射形成更多橫波，同時強度不斷增強，促使規(guī)則反射向馬赫反射轉(zhuǎn)變，從而逐漸完成重起爆過程，形成新的胞格結(jié)構(gòu)，但爆轟并不穩(wěn)定。如圖8(b) 所示，45° 分叉支管內(nèi)的胞格結(jié)構(gòu)演化過程經(jīng)歷從無胞格結(jié)構(gòu)到出現(xiàn)密集小胞格并逐漸形成清晰的胞格結(jié)構(gòu)。與 30° 分叉支管相比，無胞格區(qū)域更大，出現(xiàn)均勻胞格結(jié)構(gòu)的位置更滯后，說明 45° 分叉支管內(nèi)爆轟衰減更顯著。如圖8(c) 所示，90° 分叉支管內(nèi)的煙熏薄膜初始位置已恢復(fù)清晰的胞格結(jié)構(gòu)，因此，判定在煙熏薄膜安裝位置已經(jīng)形成爆轟，同時尺寸不一的胞格結(jié)構(gòu)也說明爆轟處于不穩(wěn)定傳播狀態(tài)。3 種角度分叉支管內(nèi)胞格演化特征說明爆轟衰減受支管入口面積與支管入口漸擴變化程度共同影響，并且主導(dǎo)因素也會隨著分叉角度增大而發(fā)生轉(zhuǎn)變。在小角度分叉支管內(nèi)爆轟衰減過程主要受支管入口漸擴程度影響，隨著分叉角度增大，支管入口漸擴程度逐漸提高，爆轟衰減也隨之增強。但當分叉角度超過某個值時（根據(jù)實驗結(jié)果該角度應(yīng)大于 45°），支管入口面積成為影響爆轟衰減和重起爆過程的主要因素，因為隨著分叉角度增大，爆轟衰減距離顯著減小，爆轟衰減程度也隨之降低。

圖8 爆轟波經(jīng)過分叉三通進入分叉支管后的胞格結(jié)構(gòu)演化 (p0=40 kPa)Fig. 8 Cellular structure evolution of detonation wave entering collateral branch tubes through 30°, 45° and 90° bifurcated tees, respectively, at p0=40 kPa

根據(jù)3 種角度分叉三通下游爆轟波傳播速度和胞格結(jié)構(gòu)演化過程，以及前人對 T 形分叉管內(nèi)爆轟波繞射機理的研究[11,20-21]，對不同角度分叉管道內(nèi)爆轟衰減與重起爆過程進行分析。爆轟波向直通支管內(nèi)傳播時，爆轟波受到分叉支管入口方向稀疏波的影響，在進入分叉口后，橫波衰減并最終消失，與此同時爆轟波波陣面逐漸彎曲變形，誘導(dǎo)激波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)分離程度加劇并最終解耦。隨著分叉角度增大，支管入口面積逐漸減小，爆轟波整體受到稀疏波的影響也隨之減弱，爆轟衰減減弱且更易于在支管下游恢復(fù)至自持爆轟狀態(tài)。但是，爆轟波經(jīng)過支管入口左邊拐點繞射進入分叉支管時，會產(chǎn)生扇形稀疏波使得爆轟波衰減為爆燃波，隨著分叉角度增大，支管入口的漸擴變化程度也隨之提高，甚至在 90° 情況下轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪蓖粩U變化，這也導(dǎo)致爆轟波更大程度的扭曲變形。而與此同時，支管入口面積減小，受稀疏波影響距離顯著縮短，爆轟持續(xù)衰減距離減小，衰減后的入射激波更快到達支管入口右邊拐點，且傾斜壁面更利于入射激波與壁面碰撞反射，從而爆轟衰減后在更短的距離內(nèi)完成重起爆過程。因此，分叉支管內(nèi)的爆轟衰減主要受支管入口面積和漸擴變化綜合因素的影響，重起爆過程主要受壁面碰撞反射強度的影響，即分叉角度越大，越有利于衰減后的入射激波與支管壁面碰撞形成反射，并不斷加強產(chǎn)生橫波，從而推動規(guī)則反射向馬赫反射轉(zhuǎn)變。在入射激波與管道壁面碰撞反射的同時，反射激波誘導(dǎo)高溫高壓，局部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，放熱量激增，并促使形成爆炸中心，而局部爆炸中心形成的強壓縮波會導(dǎo)致火焰鋒面速度迅速提高，并向前追趕前沿誘導(dǎo)激波，從而造成過驅(qū)爆轟現(xiàn)象以及不穩(wěn)定傳播狀態(tài)，表現(xiàn)為傳播速度大于vCJ且波動變化。隨著初始壓力升高，化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)速率提高，爆轟穩(wěn)定性增強[22]，爆轟波繞射受分叉三通幾何結(jié)構(gòu)影響減弱，更有利于爆轟的恢復(fù)。

3 結(jié) 論

通過對不同初始壓力化學(xué)計量比 H2/air 在 30°、45° 和 90° 分叉管道內(nèi)爆轟傳播特性進行研究，得出以下結(jié)論。

(1)當爆轟通過分叉三通時，由于在分叉口處產(chǎn)生稀疏波，導(dǎo)致爆轟波彎曲變形，誘導(dǎo)激波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)分離解耦。但隨著支管下游壁面邊界條件的恢復(fù)，入射激波與管道壁面碰撞反射加強，產(chǎn)生橫波的同時，反射激波誘導(dǎo)高溫高壓，局部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，放熱量激增，并促使形成爆炸中心，完成重起爆過程。分叉管道內(nèi)的爆轟衰減是局部現(xiàn)象，直通和分叉支管內(nèi)均能恢復(fù)至爆轟狀態(tài)。但與直通支管相比，分叉支管內(nèi)爆轟波繞射造成誘導(dǎo)激波陣面更大程度的彎曲，加劇了誘導(dǎo)激波與化學(xué)反應(yīng)區(qū)分離，使得爆轟衰減更嚴重，同時重起爆距離更長。

(2) 直通支管內(nèi)，爆轟衰減主要受支管入口面積的影響，分叉角度越大，支管入口面積越小，爆轟衰減程度就越小。從數(shù)據(jù)上看，隨著分叉角度增大，直通支管內(nèi)爆轟波傳播速度衰減依次減弱，同時重起爆距離也顯著縮短。

(3) 在分叉支管內(nèi)，爆轟衰減受支管入口面積與支管入口漸擴程度共同影響。爆轟波經(jīng)過45° 分叉三通進入分叉支管內(nèi)爆轟衰減程度相對于 30° 更大，但隨著角度的增加入口面積變?yōu)橹饕蛩兀渲薪?jīng)過 90° 分叉三通進入分叉支管內(nèi)的爆轟衰減就顯著低于 30° 和 45° 分叉支管，并且重起爆距離更短。

(4) 隨著初始壓力升高，爆轟穩(wěn)定性增強，從而顯著降低分叉三通幾何結(jié)構(gòu)對爆轟波繞射的影響，有利于減弱爆轟的衰減和縮短重起爆距離。