圓柱形障礙物對2H2+O2+nAr 預(yù)混氣體的再起爆實驗研究

劉 虎，李 權(quán),2,，呂兆文，王昌建,2,4，魏 臻，孫昊丞

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)安徽省氫安全國際聯(lián)合研究中心，安徽 合肥 230009；3.高科信息科技股份有限公司，安徽 合肥 230088；4.合肥工業(yè)大學(xué)安全關(guān)鍵工業(yè)測控技術(shù)教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009）

爆轟波是一種超聲速燃燒波，由前導(dǎo)激波與其后的火焰燃燒區(qū)（化學(xué)反應(yīng)區(qū)）高度耦合而成[1–3]，其中前導(dǎo)激波是由入射激波與馬赫桿交替形成的非平面波[4]。早期的研究源于煤礦瓦斯爆炸導(dǎo)致的礦難和化工企業(yè)管道中可燃混合氣體泄漏發(fā)生的爆炸。隨著傳統(tǒng)化石燃料資源的日益匱乏和環(huán)境保護(hù)的需要，急需清潔、高效的新能源以推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。氫能具有高熱值、零污染等優(yōu)點，然而，其點火能量低、爆炸極限寬、擴(kuò)散速度快，作為一種易燃易爆氣體，在管道運輸過程中極易因氫脆而發(fā)生泄漏，引發(fā)爆燃甚至爆轟，破壞能力極強(qiáng)。另一方面，由于爆轟波的超高速燃燒形式具有近似等容燃燒的熱力學(xué)性質(zhì)，能夠快速釋放出巨大的能量，因此可以用于航空航天推進(jìn)器系統(tǒng)設(shè)計，如脈沖爆轟發(fā)動機(jī)、旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)等。

了解爆轟的物理性質(zhì)對于預(yù)測和防止爆炸或利用爆轟進(jìn)行推進(jìn)至關(guān)重要。爆轟波在復(fù)雜通道中的傳播離不開反射和衍射，爆轟波的反射和衍射是爆轟波傳播的基本問題[5]。相關(guān)研究可為爆轟波在天然氣工業(yè)[6–9]中的可燃?xì)怏w爆炸預(yù)防、航空航天領(lǐng)域的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計[10–16]等提供理論依據(jù)。一般來說，當(dāng)爆轟進(jìn)入一個突然膨脹的幾何空間時，將發(fā)生衍射，可能導(dǎo)致爆轟熄滅、成功傳播和再起爆3 種情況[17]，結(jié)果受預(yù)混氣體反應(yīng)活性、爆轟速度和障礙物幾何形狀的影響。Lee 等[18]的研究表明，爆轟能夠在衍射條件下存活下來，需要滿足d/λ ≥13，其中d為開口高度，λ 為爆轟胞格寬度。當(dāng)不滿足上述標(biāo)準(zhǔn)時，衍射可以誘導(dǎo)解耦，導(dǎo)致爆轟波解耦為激波與火焰面。隨后，激波與剛性邊界相互作用，產(chǎn)生復(fù)雜的激波-壁反射和激波-火焰反射復(fù)合體。在合適的條件下，它們相互碰撞可以再次引發(fā)爆轟。

近年來，解耦爆轟的再起爆機(jī)理研究取得了很大進(jìn)展。王昌建等[4]基于紅寶石激光器的紋影系統(tǒng)，對氣相爆轟衍射進(jìn)行了初步的流場顯示研究，圖像清晰地顯示了爆轟波陣面的前導(dǎo)激波、橫波及化學(xué)反應(yīng)區(qū)。Ohyagi 等[19]利用高速紋影攝像研究了爆轟波在臺階后的衍射和再起爆，觀察到了爆轟的連續(xù)傳播、爆轟暫時消失后的再起爆和爆轟完全消失3 種現(xiàn)象，并指出在爆轟暫時消失后的再起爆中，熱點（激波-邊界層相互作用區(qū)產(chǎn)生局部的爆炸中心）最開始出現(xiàn)在反射激波后的管壁的上下表面。Bedarev 等[20]基于ANSYS/Fluent 軟件模擬了圓柱形障礙物對氫-空氣混合物胞狀爆轟的衰減和抑制作用，結(jié)果表明，障礙物之間的垂直距離是影響爆轟衰減的獨立參數(shù)。Saif 等[21]基于Radulescu 等[22]的研究，通過引入無量綱局部熱點起爆參數(shù)，對快速火焰及其向爆轟的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了實驗研究，建立了表征再起爆過渡長度公式。Yang 等[23]對半圓柱后爆轟破壞與再起爆進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬，結(jié)果表明，爆轟波經(jīng)過衍射，解耦為前導(dǎo)激波和火焰燃燒區(qū)，由衍射效應(yīng)而解耦的爆轟波（激波-火焰復(fù)合體）立即穿過半圓柱體，反射到底壁上形成規(guī)則反射，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R赫反射，最終決定了爆轟的再起爆。

綜上所述，可以得出一個定性的結(jié)論，即解耦爆轟的再起爆受預(yù)混氣體反應(yīng)活性和障礙物幾何形狀的控制。然而，以往對爆轟波反射現(xiàn)象的研究大多集中在楔面的各種反射形式及其轉(zhuǎn)變機(jī)理[24–27]。對于爆轟衍射，主要研究了反應(yīng)區(qū)與前導(dǎo)激波解耦的臨界條件[28–30]。在障礙物方面，重點關(guān)注了障礙物對火焰加速和爆燃轉(zhuǎn)爆轟（deflagration to detonation transition，DDT）的影響[31–33]，較少關(guān)注穩(wěn)定傳播的CJ 爆轟波遇到障礙物和爆轟解耦后的再起爆過程。此外，對再起爆距離和障礙物幾何尺寸等定量參數(shù)的研究較少。本研究擬通過煙跡、紋影技術(shù)以及壓力傳感器所采集的數(shù)據(jù)來探索爆轟波與不同直徑圓柱形障礙物碰撞時的反射、衍射和再起爆過程。在實驗條件下，對不同比例Ar 稀釋下2H2+O2的再起爆距離進(jìn)行統(tǒng)計，深入揭示障礙物對爆轟波衍射及再起爆過程的影響機(jī)制。

1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)由密閉實驗管道、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與圖像采集系統(tǒng)3 部分組成，如圖1 所示。密閉實驗管道截面尺寸為70 mm×70 mm，由點火段、驅(qū)動段、實驗段和泄壓段組成。點火段長度為500 mm；驅(qū)動段長度為2 000 mm，前端內(nèi)置長500 mm 的欄柵形障礙物；實驗段長度為500 mm，安裝了圓柱形障礙物，阻塞比為50%。障礙物共有3 種不同尺寸，直徑（d）分別為17.5、7.0 和5.0 mm，將這些障礙物以垂直間距（h）分別為13、6 和4 mm 固定在矩形框內(nèi)，然后整體安裝在實驗段來探究其對爆轟再起爆特性的影響。實驗采用煙跡法記錄爆轟波通過障礙物前后的胞格結(jié)構(gòu)變化，并統(tǒng)計爆轟胞格尺寸，薄板選用厚度為1 mm 的不銹鋼板，實驗前將煙熏板固定于實驗段側(cè)壁。紋影系統(tǒng)由氙氣燈點光源、凸透鏡、兩面紋影凹面鏡和高速相機(jī)組成，通過流場中流體折射率的變化來反映密度的一階偏導(dǎo)數(shù)，能夠記錄到流場中的激波和爆轟波等。此外，在管道頂部安裝4 個PCB 102B16 高速壓電式壓力傳感器（P1、P2、P3 和P4），其中P1、P2 位于障礙物之前，P3、P4 位于障礙物之后。壓力傳感器記錄爆轟波到達(dá)時的波形，捕捉其到達(dá)時間，由v=Δx/Δt得到爆轟的平均傳播速度，其中Δx為兩個傳感器之間的距離，Δt為爆轟波先后到達(dá)兩個傳感器的時間差。泄壓段長度為500 mm，用來緩沖爆炸沖擊所產(chǎn)生的壓力。點火段采用電容式火花塞，提供5 J 的能量進(jìn)行點火。燃燒波經(jīng)過驅(qū)動段內(nèi)欄柵型障礙物加速后，在進(jìn)入實驗段前形成穩(wěn)定的CJ 爆轟波。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facilities

配氣系統(tǒng)由高壓氣瓶、預(yù)混罐、真空泵、壓力表、配氣柱、導(dǎo)氣管和針形閥門等組成。采用道爾頓分壓法，在預(yù)混罐中配置2H2+O2、2H2+O2+Ar 和2H2+O2+3Ar 預(yù)混氣，并靜置24 h，以確保H2、O2和Ar 充分混合。實驗前，使用真空泵將實驗管道內(nèi)空氣抽至0.1 kPa 以下，通入預(yù)混氣體至既定初始壓力p0，關(guān)閉進(jìn)氣閥，啟動爆轟點火裝置點燃預(yù)混氣體，完成數(shù)據(jù)與圖像采集。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 圓柱形障礙物前后火焰?zhèn)鞑ツＪ阶兓?guī)律

圖2 給出了管道內(nèi)2H2+O2在不同直徑障礙物、不同初始壓力下的平均速度。實心圖標(biāo)代表障礙物上游速度，空心圖標(biāo)代表下游速度。由圖1 可知，P1、P2 壓力傳感器位于障礙物上游，P3、P4 壓力傳感器位于障礙物下游，可以測量穩(wěn)定傳播的爆轟波和再起爆的速度。利用Cantera 軟件包[34]計算得到的理論CJ 爆速和燃燒產(chǎn)物的聲速也一并給出用于對比分析。通過改變預(yù)混氣體的初始壓力，觀察到3 種傳播模式。控制初始壓力在11.5 kPa 以下，可以看到，障礙物上游燃燒波速度為800～1 000 m/s，這是典型的快速火焰狀態(tài)。這些預(yù)混氣體被點燃后，如果沒有遇到嚴(yán)重的擾動，燃燒波將保持快速火焰的傳播模式，如圖2 所示。當(dāng)初始壓力低于11.0 kPa 時，下游燃燒波的平均速度略低于上游平均速度，這是由于圓柱形障礙物起到了一定的阻塞作用。并且，在障礙物下游傳播段，燃燒保持快速火焰形態(tài)，此時燃燒波通過障礙物上、下游的傳播模式為快速火焰到快速火焰。

圖2 不同直徑障礙物下的上、下游平均速度與初始壓力的關(guān)系Fig.2 Upstream and downstream average velocity versus initial pressure in the cases of various diameter obstacles

當(dāng)初始壓力等于臨界壓力pc時，下游燃燒波的平均速度將遠(yuǎn)高于上游平均速度，甚至高達(dá)CJ 爆速。從圖2 可以看出，當(dāng)初始壓力分別為11.0、11.2 和11.4 kPa 時，燃燒波通過障礙物上、下游的傳播模式為快速火焰轉(zhuǎn)到爆轟。這是因為隨著初始壓力的升高，預(yù)混氣體的反應(yīng)活性增加，促進(jìn)了快速火焰在通過障礙物傳播到下游時發(fā)展成為爆轟狀態(tài)，使得速度得到躍遷。

從圖2 還可以看出，當(dāng)初始壓力高于11.6 kPa 時，障礙物上游的燃燒波速度在CJ 速度附近積累，說明在到達(dá)障礙物之前發(fā)生了CJ 爆轟。然而，障礙物下游的速度并沒有呈現(xiàn)相同的趨勢，其或升高或降低，這與初始壓力和障礙物直徑相關(guān)。盡管如此，依舊可以從其速度值判斷出，爆轟通過障礙物后發(fā)生了再起爆，至于爆轟衰減過程，將借助煙熏板進(jìn)一步討論。

圖3 給出了預(yù)混氣體2H2+O2、障礙物直徑d=17.5 mm 時，快速火焰在不同初始壓力下的傳播煙跡。如圖3(a)所示，當(dāng)初始壓力為10.0 kPa 時，煙熏板中障礙物上、下游均未出現(xiàn)爆轟胞格結(jié)構(gòu)，說明障礙物上、下游傳播模式保持為快速火焰模式，沒有發(fā)生傳播模式的轉(zhuǎn)變，但在障礙物下游可見明顯的激波略過煙塵留下的痕跡。當(dāng)初始壓力為11.0 kPa 時，障礙物對快速火焰的擾動作用促進(jìn)了波陣面不穩(wěn)定性，從而在障礙物的下游發(fā)生爆轟，在煙熏板上可以看到清晰的胞格結(jié)構(gòu)。如圖3(b)所示，煙熏板在距離障礙物下游一定距離處記錄到了胞格結(jié)構(gòu)，這種胞格結(jié)構(gòu)首先在管道上、下壁面出現(xiàn)，表明這種擾動在敏感預(yù)混氣體中導(dǎo)致了傳播模式的轉(zhuǎn)變。當(dāng)初始壓力升高至12.0 kPa 時，如圖3(c)所示，可以看到障礙物上游產(chǎn)生了均勻整齊的胞格，而在障礙物下游，規(guī)則的爆轟胞格結(jié)構(gòu)消失一段距離后，再次出現(xiàn)更加致密的小胞格結(jié)構(gòu)，表明發(fā)生了完整的爆轟衰減失效到再起爆過程。

圖3 障礙物直徑d=17.5 mm 時快速火焰在不同初始壓力下的傳播煙跡Fig.3 Smoked foils of the propagation pattern of fast flame at different initial pressures at obstacle diameter d=17.5 mm

圖4 給出了與圖3 相同條件下4 個壓力傳感器P1、P2、P3、P4 處的壓力曲線。由圖4(a)可知，當(dāng)初始壓力為10.0 kPa 時，壓力傳感器P1、P2、P3、P4 記錄的壓力值較小，可以看到，壓力傳感器P2 處的最大峰值壓力為52.0 kPa，為典型的快速火焰到快速火焰形態(tài)壓力。由圖4(b)可知，當(dāng)初始壓力為11.0 kPa 時，壓力傳感器P1 和P2 記錄的前導(dǎo)激波產(chǎn)生了兩個峰值壓力，分別為43.0 和44.0 kPa，這與圖4(a)中的壓力值接近，說明在障礙物前為快速火焰狀態(tài)。隨后，在較短的時間內(nèi)（約0.33 ms），壓力傳感器P2 記錄到的峰值壓力為330.0 kPa，表明在障礙物的上表面形成了爆轟，這是由于激波經(jīng)障礙物上表面反射后再次傳播到壓力傳感器P2 位置，然后與火焰發(fā)生碰撞，形成爆轟。這種爆轟傳播模式在通過障礙物后進(jìn)一步加速形成穩(wěn)定爆轟，因而壓力傳感器P3 和P4 處測得的峰值壓力分別為626.0 和642.0 kPa，可觀察到典型的快速火焰通過障礙物發(fā)展成為爆轟現(xiàn)象。提升初始壓力至12.0 kPa 時，如圖4(c)所示，管道中達(dá)到穩(wěn)定的CJ 爆轟狀態(tài)，在爆轟波通過的位置，記錄到壓力瞬間達(dá)到最大值，可以看到典型的爆轟通過障礙物后的衰減和再起爆過程。在11.0～12.0 kPa 范圍內(nèi)，初始壓力每次遞增0.1 kPa，然而并未出現(xiàn)爆轟完全衰減為快速火焰的現(xiàn)象，這是由于本研究采用的是單列障礙物，且阻塞比較小。當(dāng)初始壓力為20.0 kPa 時，如圖4(d)所示，可以觀察到比圖4(c)中更高的超壓峰值。

圖4 障礙物直徑d=17.5 mm、不同初始壓力下壓力傳感器P1、P2、P3、P4 處的壓力曲線Fig.4 Pressure profiles at pressure sensor P1, P2, P3, P4 under different initial pressures at obstacle diameter of 17.5 mm

進(jìn)一步減小圓柱形障礙物的直徑，如圖5(a)和圖5(b)所示，d=7.0 mm 和d=5.0 mm 時發(fā)生快速火焰到爆轟轉(zhuǎn)變的臨界壓力分別為11.2 和11.4 kPa。初始壓力增加至12.0 kPa，障礙物直徑為7.0 mm 時，如圖5(c)所示，可以明顯地看出，相比于圖3(c)，再次出現(xiàn)胞格的區(qū)域提前，并且胞格更小。當(dāng)障礙物直徑減小至5.0 mm 時，如圖5(d)所示，煙熏板上出現(xiàn)一段光亮的不規(guī)則區(qū)域，這是由于已經(jīng)形成的CJ 爆轟經(jīng)過較小的自由通道衍射作用后，前導(dǎo)激波剪切流動較強(qiáng)，相互碰撞更加激烈，將原有的煙塵刮掉，但是依舊可以清晰地看到胞格結(jié)構(gòu)。當(dāng)預(yù)混氣體為2H2+O2時，一旦初始壓力達(dá)到能夠在障礙物前形成穩(wěn)定的爆轟波，在通過3 種不同的障礙物后，均發(fā)生了再起爆現(xiàn)象。說明在本研究條件下，通過障礙物后，爆轟波被抑制和衰減只是暫時的，均能夠?qū)崿F(xiàn)再起爆。

圖5 快速火焰在不同直徑障礙物、不同初始壓力下的傳播煙跡Fig.5 Smoked foils of the propagation pattern of fast flame in obstacles with different diameters and different initial pressures

2.2 爆轟胞格結(jié)構(gòu)變化與再起爆傳播機(jī)制

圖6 給出了前導(dǎo)激波、CJ 爆轟波與d=17.5 mm 的圓柱形障礙物碰撞附近的紋影圖像，通過紋影圖像可以清晰地觀察障礙物后方的波系結(jié)構(gòu)。如圖6(a)所示，上游前導(dǎo)激波進(jìn)入視場的時間定為25 μs。在75 μs 時，前導(dǎo)激波從障礙物的前表面反射，形成與之傳播方向相反的反射波，流動在前半圓柱之間的間隙被壓縮。當(dāng)前導(dǎo)激波越過圓柱與圓柱、圓柱與管道之間的受限空間進(jìn)入自由空間時，由于膨脹波的作用，前導(dǎo)激波開始彎曲轉(zhuǎn)變成衍射激波，如100 μs 時刻所示。到125 μs 時，形成了入射激波、馬赫桿和橫波結(jié)構(gòu)。在150～175 μs，在障礙物前方存在被激波壓縮過的未燃?xì)怏w，并產(chǎn)生了大量橫波，這些橫波向上、下壁面運動。在300 μs 時刻，入射激波與馬赫桿的位置交替變化，表明在波前產(chǎn)生了局部的馬赫反射。交替的入射激波和馬赫桿結(jié)構(gòu)在障礙物后方形成自點火，回傳并點燃被壓縮的未燃?xì)怏w，最終在825 μs 時形成爆轟胞格結(jié)構(gòu)。該胞格結(jié)構(gòu)是由激波的馬赫反射造成的，與爆轟波過程相似，通過橫波的碰撞為前導(dǎo)激波提供能量。

圖6 前導(dǎo)激波、CJ 爆轟撞擊直徑d=17.5 mm 的圓柱形障礙物時下游紋影照片F(xiàn)ig.6 Schlieren shots of leading shock or CJ detonation colliding with the cylindrical obstacle diameter of 17.5 mm

進(jìn)一步探究圓柱形障礙物對穩(wěn)定CJ 爆轟波的影響。如圖6(b)所示，25 μs 時，前導(dǎo)激波與火焰區(qū)完全耦合成為一個整體，表明在上游建立了CJ 爆轟波。點火后，管道中達(dá)到穩(wěn)定的CJ 爆轟狀態(tài)，遇到障礙物后，爆轟波被破壞。與前導(dǎo)激波入射不同，當(dāng)爆轟波越過前半圓柱后，管道橫截面積變大，導(dǎo)致膨脹波產(chǎn)生，爆轟波開始彎曲，隨后進(jìn)入自由通道區(qū)，由于膨脹波的衍射衰減作用，使得爆轟波失去了耦合強(qiáng)度，爆轟波分離解耦，成為激波前沿和后方的火焰燃燒區(qū)。在75 μs 時刻，衰減的衍射激波在障礙物后軸線及管道中心軸線處發(fā)生碰撞，繼而在100 μs 時刻形成高溫高壓區(qū)域，在障礙物后軸線及管道中心軸線處，流動的對稱面相對于兩側(cè)的激波而言，相當(dāng)于固體壁面，因此在障礙物后軸線處碰撞的衍射激波發(fā)生馬赫反射，成為馬赫激波。與馬赫激波相鄰的是前導(dǎo)激波與反應(yīng)區(qū)解耦而產(chǎn)生的強(qiáng)度較弱的入射波，接著入射波與下游管道壁面碰撞并發(fā)生馬赫反射，火焰區(qū)與激波前沿再次完全耦合在一起形成穩(wěn)定的爆轟波，完成再起爆過程。圖7 給出了該過程的結(jié)構(gòu)示意圖。入射爆轟在圓柱體上產(chǎn)生向障礙物上游傳播的反射激波和繞過圓柱體向下游傳播的衍射激波。在衍射激波后的是火焰，膨脹波將不同壓力和速度的衍射激波和火焰分隔開。

圖7 入射爆轟波與柱形障礙物碰撞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the collision structure of the incident detonation and the cylindrical obstacle

當(dāng)p0=15.0 kPa、d=17.5 mm 時，如圖8(a)所示，煙熏板記錄了爆轟波通過障礙物后的胞格結(jié)果。由圖8(a)可知，在障礙物上游充滿了規(guī)整的胞格，當(dāng)爆轟波通過障礙物后，規(guī)則的“魚鱗”狀胞格消失。消失的胞格結(jié)構(gòu)在距離障礙物后37.0 mm 再次出現(xiàn)。在每個障礙物下游的扇形無胞格區(qū)，均可以看到兩條背向運動的單一三波點軌跡線，如圖8(a)箭頭所示，在障礙物中間的兩條匯聚于一點，上下兩條則與管道頂部和底部碰撞，反射回來后最終形成兩個大“魚鱗”狀胞格。在頂部和底部反射后的單一三波點軌跡線下方再次出現(xiàn)比障礙物上游更加細(xì)小致密的胞格，這是由于入射激波點燃了壁面附近被壓縮的氣體，從而轉(zhuǎn)為馬赫激波。而在4 條單一三波點正后方出現(xiàn)了圈中的毛刺狀區(qū)域，更加直觀地展示了解耦后的火焰區(qū)燃燒后留下的痕跡。通過提高管道內(nèi)預(yù)混氣體的初始壓力來提高反應(yīng)氣體活性，如圖8(b)所示，可以看到，在兩個大“魚鱗”狀的胞格內(nèi)存在細(xì)小致密的胞格，而在圖8(a)中只存在幾條單一三波點軌跡線。進(jìn)一步提高壓力，如圖8(c)所示，即25.0 kPa 以后，在再起爆邊界處，胞格結(jié)構(gòu)非常致密且尺寸較小，表明爆轟處于不穩(wěn)定的傳播狀態(tài)，意味著爆轟波再起爆后的強(qiáng)度有所加強(qiáng)，形成了過驅(qū)動爆轟，隨著過驅(qū)動爆轟衰減，胞格尺寸在下游增大，胞格逐漸清晰，最終趨于該初始壓力下穩(wěn)定CJ 爆轟胞格大小，即與障礙物前的胞格尺寸相當(dāng)。綜上可知，隨著初始壓力的升高，爆轟的再起爆是由過驅(qū)動爆轟建立的。

圖8 障礙物直徑d=17.5 mm 時不同初始壓力下再起爆胞格圖像Fig.8 Smoked re-initiation foils downstream of the cylindrical obstacle with the diameter of 17.5 mm under different initial pressures

2.3 再起爆距離

如圖8(a)所示，再起爆距離Lre定義為管道中心軸線處從障礙物出口到穩(wěn)定再起爆邊界的水平距離。隨著初始壓力的升高，氣體的活性升高，爆轟波的敏感性增強(qiáng)，抵制由障礙物帶來的衍射效應(yīng)的能力增強(qiáng)，再起爆距離縮短。但Lre是緩慢地減小，隨初始壓力的變化趨勢并不明顯，不存在與文獻(xiàn)[35]中的多孔板再起爆距離研究類似的敏感壓力區(qū)域，即可使Lre發(fā)生突變的壓力值。為進(jìn)一步探究再起爆距離Lre的變化規(guī)律，在初始壓力為12.0～25.0 kPa 下，研究不同直徑圓柱形障礙物的影響，得到h/λ 與Lre/D的關(guān)系，其中λ 為不同壓力下胞格尺寸，D為管道直徑。從圖9 可以看出，隨著初始壓力升高，λ 減小，再起爆距離減小。在同一障礙物下，再起爆距離的變化具有一定的線性關(guān)系，擬合后可得：Lre1=46.0-4.8h/λ、Lre2=32.5-12.8h/λ、Lre3=30.6-24.9h/λ?？梢姡谕粔毫ο?，再起爆距離依次減小，障礙物直徑為17.5 mm 時，再起爆距離最長，說明單個圓柱形障礙物的表面積S和障礙物圓柱體之間垂直距離h的增大導(dǎo)致通過障礙物時爆轟波的能量損失增加，從而使爆轟衰減更加強(qiáng)烈，再起爆距離變長。具體來說，一方面，爆轟波與障礙物的接觸面積變大，障礙物前反射波的強(qiáng)度變強(qiáng)，導(dǎo)致越過障礙物的衍射波強(qiáng)度下降；另一方面，障礙物尺寸變大，越過左半圓柱后截面的膨脹率變大，因此爆轟波越過障礙物后受到的膨脹效應(yīng)變強(qiáng)，爆轟波衰減更明顯。從圖9 中擬合曲線的斜率也可以看出，隨著圓柱體障礙物之間垂直距離h的減小，再起爆距離Lre對壓力的變化更敏感。這說明較小的衍射區(qū)內(nèi)，混合氣體初始壓力的變化對再起爆影響較大。

圖9 越過不同尺寸圓柱形障礙物后2H2+O2的Lre/D 與h/λ 的關(guān)系Fig.9 Relationship between the Lre/D and h/λ of 2H2+O2 after crossing cylindrical obstacles of different sizes

由圖9 可知，當(dāng)d=17.5 mm 時，2H2+O2的再起爆距離Lre隨壓力變化范圍較大，為了探究再起爆距離與反應(yīng)混合物的熱化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，實驗中加入了不同比例的氬氣。Grondin 等[36]的研究發(fā)現(xiàn)，不同混合物之間差異的主要特征是反應(yīng)速率對溫度波動的依賴程度不同，混合物從局部擾動發(fā)展成為熱點的傾向是再次爆轟的必要條件。為了表征混合物的熱化學(xué)性質(zhì)對溫度波動的敏感性，本研究引入了無量綱局部熱點起爆參數(shù) χ，其值可由Cantera 軟件計算。選取d=17.5 mm，檢驗2H2+O2+nAr 的再起爆距離與參數(shù) χ是否存在相關(guān)性。由圖10(a)可知，隨著氬氣含量的增加， χ減小，Lre隨 χ的減小趨于一個更穩(wěn)定的范圍。這是由于隨著氬氣含量的增加，混合氣體逐步變成高穩(wěn)定性氣體。由圖10(b)可知，隨著氬氣含量的增加，發(fā)生再起爆需要的初始壓力升高。在同一初始壓力下，隨著氬氣含量的增加，Lre有所增大。進(jìn)一步，由圖10(c)可知，對于不同比例氬氣稀釋的預(yù)混氣體，再起爆距離Lre與圓柱垂直間距h、胞格尺寸λ 的關(guān)系為Lre∝h/λ。

圖10 障礙物直徑d=17.5 mm 時Ar 對再起爆距離的影響Fig.10 Effect of Ar on the re-initiation distance with the obstacle diameter of 17.5 mm

3 結(jié) 論

對2H2+O2+nAr 爆轟波通過障礙物后爆轟失敗及隨后的再起爆過程進(jìn)行了實驗研究，采用壓力傳感器、煙熏板和紋影技術(shù)記錄爆轟波及胞格演化過程，在所研究的障礙物幾何尺寸下，得出如下結(jié)論。

(1) 當(dāng)氣體為2H2+O2時，對于不同直徑的障礙物，發(fā)現(xiàn)快速火焰到快速火焰、快速火焰到爆轟和爆轟衰減到再起爆3 種傳播模式。

(2) 當(dāng)爆轟波越過前半圓柱時，管道橫截面積變大導(dǎo)致膨脹波的產(chǎn)生，由于膨脹波的衰減作用，使得爆轟波分離解耦，成為激波前沿和后方的火焰燃燒區(qū)。衰減的衍射激波在障礙物后軸線及管道中心軸線處碰撞發(fā)生馬赫反射，成為馬赫激波。與馬赫激波相鄰的強(qiáng)度較弱的入射波與下游管道壁面碰撞發(fā)生馬赫反射，完成再起爆。

(3) 障礙物后的爆轟衰減是局部現(xiàn)象。爆轟波的再起爆距離隨障礙物直徑的減小而縮短，不同直徑障礙物的實驗結(jié)果均表明：混合氣體的初始壓力越高，氣體的活性越高，抵制由障礙物帶來的衍射效應(yīng)的能力越強(qiáng)，再起爆距離Lre越短。在同一壓力下，隨著h的降低（h/λ 減?。?，再起爆距離Lre變短。當(dāng)障礙物直徑d=17.5 mm 時，對于不同比例氬氣稀釋后的預(yù)混氣體，再起爆距離Lre與圓柱垂直間距h、胞格尺寸λ 的關(guān)系為Lre∝h/λ。