初始压力对发散圆柱形爆轰波结构影响的试验研究*

2022-03-31赵焕娟药慧妹萧星宇王家俊

安全、健康和环境 2022年3期

赵焕娟，药慧妹，林敏，萧星宇，王家俊

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点试验室--省部共建国家重点试验室培育基地，河南焦作 454003 3.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京 100191 4.麦吉尔大学机械学院，蒙特利尔，QC H3A 0G4)

1 研究背景

爆轰波是一种以超声速或高超声速传播的燃烧波，在某些可燃介质中的传播速度甚至高达每秒几千米，并维持稳定的激波强度[1-2]。开展爆轰波的临界条件研究具有重要意义。能源安全领域无可避免地涉及各种爆燃爆轰形态[3]，爆轰波的形成是许多重大事故不可忽视的重要原因之一，也是研究事故发生、发展的关键内容。此外，随着对爆轰形成过程和传播机理的进一步研究发现，利用爆轰释放的巨大能量可以将其高破坏性转化为强驱动力，更高效地解决工程实际中的某些问题，如冲压加速发射技术、常规兵器、高能碰撞、超高速动力试验等[4-6]。

爆轰胞格结构是气相爆轰机理研究的基础[7-9]，受边界条件影响，与初始压力、爆轰极限、爆轰速度等条件有关，研究过程通常采用数字图像处置技术。T. P. Gavrilenko等[10]采用C2H2+O2，设计临界直径为25 mm，初始压力为2.200 kPa的试验，记录爆轰波逐步收敛的过程发现，爆轰波向中心汇聚时，小半径处某些相邻轨迹会合并，横波数量略有减少。喻建良等[11]利用内径12.7 mm，管长3.5 m的圆形截面管道，研究了初始压力30，18，14，12，8 kPa时管道中甲烷与氧气混合气体爆炸火焰的传播速度及爆轰波胞格结构，发现初始压力不同时，会出现不同的火焰传播模式，其胞格结构也会产生变化。Lee等[12]在研究Shepherd等算法的基础上，进行了轨迹图片的数字处理。赵焕娟等[13]使用自相关方法研究了稳定气与不稳定气的手绘胞格结构图案，使用数字图像处理技术分析烟膜结果，将三波点轨迹分成左向和右向波进行后续分析。

C2H2燃烧速度较快，与O2在当量比为1∶2.5混合的情况下容易形成爆轰。Ar性质稳定，是最常用的惰性气体，可作为稀释剂[14]。加入Ar后进一步提高预混气爆轰的稳定性，可得到较为规则的胞格结构。设计内径3.2 mm，长500 mm的驱动段钢管和直径32 mm钢化玻璃试验台，开展C2H2+2.5O2+85%Ar预混气在初始压力分别为55，45，40，30 kPa时的爆轰试验，并采用高速摄影技术记录爆轰瞬间产生的端面胞格结构，通过对比研究4个初始压力下的胞格结构和临界条件，剖析初始压力对发散圆柱形爆轰波结构的影响，同时为后续研究圆柱形爆轰的临界条件增加例证。

2 爆轰试验准备

2.1 试验台搭建

驱动段钢管的临界管径与胞格尺寸存在定量线性关系。张博等[15]研究得到C2H2+2.5O2和不同浓度预混气作为燃料时的爆轰临界管径和胞格尺寸关系。临界起爆能量的预测模型依赖于爆轰临界管径，当预混气体初始压力不变，随着管道内径的减小，在管道内传播的爆轰波的平均速度将降低[16]。这是由于初始压力不变时，管径小的管道边界层所占比例较大，边界层因能量损失多致使爆轰波的传播速度降低。

为控制爆轰速度，设定试验中驱动段钢管内径为3.2 mm，长500 mm，钢化玻璃板直径为32 mm。试验装置主要包括控制面板、充气装置、钢化玻璃、输气管道，如图1所示。采用控制面板调节试验进程：①输入气体后，用真空泵将多余的预混气抽出；②关闭真空泵，用点火塞点火，燃烧气体经管道传输至钢化玻璃板，在有间隙的钢化玻璃板之间形成爆轰的胞格结构。图2所示为驱动段钢管实物。

图1 试验装置

2.2 试验装置气密性检查

钢化玻璃板由密封橡胶圈保证玻璃板气密性，木板起到支撑玻璃板的作用。利用缓慢升压后稳压再继续升压的方式抽真空分段检查管道组件、法兰、阀门及焊缝严密性，如压力不降、无泄漏，则严密性试验合格。如果发现泄漏问题，应及时减压排气，修补缺陷后重复检查。校准分压，反复调试装置确保安全。

图2 装置实物

2.3 C2H2+2.5O2+85%Ar预混气制备

以分压的方式在高压瓶内制备预混气，经由控制面板将气体分别输入到充配气系统的预混气高压瓶中，充罐后预混气静置24 h以上，使罐内不同气体混合均匀。

3 试验结果

在爆轰试验台输入C2H2+2.5O2+85%Ar预混气后，关闭预混气阀门，将多余预混气抽真空，关闭真空泵，点火后放电。在点火瞬间，利用持续曝光相机和补偿式条纹相机记录气体爆轰波在初始压力从60 kPa逐渐降至24 kPa下的胞格结构，获得爆轰波从稳态传播到逐渐失效的过程。

反复试验发现，当初始压力低于29 kPa后，高速摄影机无法捕捉到爆轰现象，可知爆轰波在该管道内失效时的临界压力为29 kPa。为观察初始压力对圆柱形爆轰胞格结构的影响，选取55，45，40，30 kPa为初始压力进行多次试验，获得端面胞格结构如图3。

试验发现，爆轰胞格为由内向外扩散的网状结构，中心均为黑色实心圆，没有形成胞格结构。当初始压力为55 kPa时，端面爆轰胞格十分规则，半径内小外大，呈向外扩散的形态，胞格尺寸近似不变，且胞格较小，数量较多。初始压力为45 kPa时，端面的胞格尺寸增加，三波点轨迹在外圈呈锯齿状。初始压力为40 kPa时，胞格尺寸增加，三波点轨迹的交点减少，更多分布在外圈。初始压力为30 kPa时，三波点轨迹交点明显减少，在图像中观察不到明显的胞格结构。

图3 不同初始压力下的爆轰胞格

4 结果分析

4.1 胞格结构与尺寸

在一端封闭一端开口的长管中点燃预混气会形成燃烧波，正常火焰传播的已燃气体压缩未燃混合气会产生压缩波，当后面的压缩波波速大于前面的压缩波使得压缩波重叠形成激波。激波不断接受来自后方已燃气体提供的能量进而形成稳定的爆轰波。爆轰波由入射激波、马赫杆和横波构成。爆轰波的波阵面是扭曲的和不均匀的，分布着较弱的入射激波和较强的马赫杆。横波扫过爆轰波阵面，并与其他的横波碰撞。在这种碰撞过程中，三波点的运动轨迹会形成鱼鳞状的图案，称为胞格。胞格是三维结构，Strehlow等人研究后得到由八面体和两种四面体组成的三维胞格模型[17]。钢化玻璃板上呈现的胞格结构主要为鱼鳞状或菱形的图案。通过高速摄影技术记录在爆轰瞬间呈现于钢化玻璃板上的胞格结构，初始压力分别为30，40，45，55 kPa时的胞格结构模拟图如图4。

图4 4种初始压力下的模拟胞格结构

胞格尺寸是胞格爆轰的重要参数，常用于爆轰波直接起爆能量和爆轰衍射临界管径的理论分析[18]。以爆轰胞格结构的中心点为圆心，特定传播半径[19]的圆与爆轰波波阵面三波点的交点间的平均距离即为该传播半径下的胞格尺寸。如图5所示，a为各初始压力下，传播半径为600 mm时的胞格尺寸。预混气成分、起爆能量、初始压力、边界条件等都是胞格尺寸的主要影响参数。

图5 各初始压力下的胞格尺寸

从图3中看出，无论压强大小，图案中心均为黑色实心圆，是由于中心爆轰压力过大，形成过驱爆轰，不产生胞格结构。如图5(d)所示，当初始压力为55 kPa时，爆轰波胞格十分规则，胞格尺寸大小近似不变。此时爆轰波在管道内处于稳定传播状态，由于初始压力较大，分子获得的初始能量较多，更多的活化分子参与反应中，提高了分子间的反应速率，表现为胞格尺寸较小，数量较多。且由产生明显胞格的地方可以看出，靠近柱管道的胞格面积大于圆盘边缘处的胞格面积，这是由于柱管道边界处，爆轰波与管壁碰撞摩擦，迅速衰减，导致能量降低，胞格面积变大。

当初始压力降低时，在相同管径和气体组分下，爆轰波胞格尺寸逐渐增加，胞格结构越来越不规则，如图5(a)、5(b)、5(c)所示。尤其是图5(a)，初始压力为30 kPa时几乎看不到清晰的胞格结构。当管中初始压力不足时，不能产生胞格，爆轰也会衰减。但是，临界初始压力下的爆轰在初始阶段就趋于衰减，最后爆轰转化为自持爆轰[20-21]。

4.2 初始压力与胞格尺寸的关系

常温常压下，大多数燃料的爆轰胞格尺寸很小，无法得到胞格结构[22]。当初始压力大于爆轰的临界压力时，爆轰可以形成胞格结构，且在不同初始压力作用下，爆轰的胞格尺寸也有较大变化[23]。为进一步探究初始压力与爆轰波的胞格尺寸的关系，以爆轰结构中心点为圆心，取传播半径分别为500，600，700 mm，获得初始压力分别为30，40，45，55 kPa下的平均胞格尺寸，如表1所示。分析得，爆轰波的胞格尺寸与初始压力呈负相关。初始压力较大时，胞格尺寸较小；当初始压力减小时，胞格尺寸逐渐增大，且随着压力的减小，胞格尺寸的变化速率加快，变化幅度增大，如图6所示。