氣相爆轟波近失效狀態的傳播模式*

顏秉健，張 博,2，高 遠，呂樹光

(1.華東理工大學資源與環境工程學院, 上海 200237;2.上海交通大學航空航天學院, 上海 200240；3.Department of Mechanical and Aerospace Engineering, West Virginia University, United States)

爆轟波是一種以超音速傳播并伴隨有化學反應的沖擊波。爆轟波通過其前導沖擊波壓縮可燃氣體實現自燃點火，并借助燃燒釋放的化學能實現自持傳播[1]。先前的研究主要分析了不同可燃氣體種類、燃料配比、初始壓力對爆轟波傳播規律的影響，并發現當遠離爆轟極限時，爆轟波在管道內穩定傳播；當臨近爆轟極限時，爆轟波穩定性減弱，傳播過程變得非常復雜，并伴隨一系列非穩定現象[2-3]。Moen等[4]、Lee等[5]、 Kitano等[6]、Campbell等[7-9]研究表明，在臨近極限附近出現螺旋爆轟現象，Manson等[10]對C3H8-O2混合氣體爆轟波的研究發現，某些條件下爆轟波速度將出現較大波動，并周期性地失效與再起爆, 即馳振爆轟(galloping detonation)。Edwards等[11]、 Haloua等[12]、 Moen等[13]在實驗中證實了馳振爆轟的存在。除馳振爆轟之外，Manzhalei[14]采用微小管道研究時發現在一定壓力下存在低速爆轟，并以約0.6vCJ的速度在管道內穩定傳播。目前對于爆轟波的不穩定傳播模式的產生機理尚不明確，需要通過開展進一步的研究進行深入分析。

本文中采用具有5種不同活化能的碳氫混合氣體，利用光纖探針和煙跡法對爆轟波在管道內傳播時的速度波動進行分析，進一步探究臨近極限狀況下爆轟波的復雜傳播模式和氣體活化能之間的關系。

1 實驗裝置

實驗裝置主要由爆轟管、點火系統、數據采集系統及充、配氣系統構成，如圖1所示。爆轟管道由驅動段和測試段組成。驅動段為長度1300 mm、內徑65 mm的鋼管，在起爆端位置設置一長度為200 mm的Shchelkin螺旋，以增加對爆炸波的擾動從而形成穩態爆轟。測試段為透明的聚碳酸酯管。測試段規格有3種：(1)內徑1.5 mm、長2.438m；(2)內徑3.2 mm、長2.438 m；(3)內徑12.7 mm、長4.118 m。

采用PCB壓力傳感器(型號：113B24，響應頻率：500 kHz，量程：0～6.9 MPa，輸出電壓：0～5 V)測量驅動段內爆轟波到達時間，用以計算在驅動段內是否形成并達到穩態的爆轟波。采用光學探針測試系統[5]測量測試段內爆轟波到達各測點的時間，從而計算出爆轟波在相鄰測點間的傳播速度，圖2為實驗中所獲得的典型光學探針輸出信號。通過CEA[15]程序計算預混氣體在各初始條件下爆轟波的理論爆轟CJ速度。

采用分壓法配置預混氣體，并靜置24 h使氣體充分混合。實驗前，首先用真空泵對管路抽真空至0 Pa，充氣時同時通過驅動段初始端閥1及測試段末端閥9的閥門向管路充入混合氣體，并通過電子壓力表控制進氣量以達到預定的初始壓力。采用高壓電火花點火，點火能量約32 J。選用五種不同組分的混合氣體，分別為C2H2+2.5O2+70%Ar (Ⅰ)、C2H2+2.5O2+85%Ar (Ⅱ)、C2H2+5N2O (Ⅲ)、C3H8+5O2(Ⅳ)、CH4+2O2(Ⅴ)。

2 實驗結果及討論

對于給定的預混氣體和管道，實驗中通過逐漸降低預混氣在管道內的初始壓力來獲得爆轟極限的臨界壓力。圖3所示為C2H2+2.5O2+70%Ar氣體初始壓力遠大于其所對應的臨界壓力時，爆轟波在管道內的傳播情況。圖3中橫坐標為爆轟波在測試段管道內的傳播距離，縱坐標為相鄰測點間所測爆轟波速度與理論爆轟波速度的比值。由圖3可知，在該初始條件下，爆轟波在管道內傳播時其速度波動很小，并以穩定速度傳播，且平均速度接近于理論CJ速度，這種傳播模式的爆轟波稱為穩態爆轟。

圖4為C3H8+5O2氣體在初始壓力為4.5 kPa時，爆轟波在管道內傳播情況。圖4表明爆轟波在管道內傳播時出現局部速度波動，但仍能夠以平均速度0.9vCJ在管道內傳播，且局部速度波動的振幅及頻率具有隨機性，此種傳播模式爆轟稱為快速波動爆轟。對于快速波動模式，速度分布離散度變大，表明其速度波動增加。

圖5為CH4+2O2氣體在初始壓力為12 kPa時，爆轟波在管道內傳播情況。爆轟波在進入到測試段管道時，以接近理論CJ爆轟速度的速度在管道內傳播，在傳播一段距離后，爆轟速度突然降低至0.87vCJ左右，并以此速度在管道內傳播約0.5 m(約40倍管道直徑)后，速度又突然增加至vCJ，再傳播一段距離后(約0.5 m)，又降至0.87vCJ左右，爆轟波在管道內以此種模式周期地傳播至管道末端。此種傳播模式稱之為“結巴式”爆轟。從速度直方圖可以看出，在0.87vCJ及vCJ附近形成兩個波峰，即爆轟波速度集中在0.87vCJ和vCJ之間。

圖6為C3H8+5O2氣體在初始壓力為3 kPa時，爆轟波在管道內的傳播狀況。由圖6可知，在此初始壓力下爆轟波速度波動較大，并可分為三個階段：(1)CJ爆轟階段(0.8vCJ≤v≤vCJ)；(2)低速階段(0.4vCJ≤v<0.8vCJ)；(3)過載階段(v>vCJ)，此種傳播模式稱為“馳振”爆轟。在CJ爆轟階段，爆轟波在管道內傳播時速度緩慢降低，傳播至750 mm時，爆轟波進入低速傳播階段，此時爆轟波速度急劇降低至0.4vCJ左右，并以此速度在管道內傳播約1 000 mm的距離(約80倍管道直徑)。在2 600 mm處，爆轟波速度突然增加至1.4vCJ左右，此時爆轟波發生過載現象，由于過載時爆轟波(v≈1.4vCJ)不能自持穩定傳播，故當爆轟波經歷過載階段后速度隨之降低，并逐漸達到CJ爆轟狀態(v≈vCJ)，隨后形成下一個馳振爆轟周期。馳振爆轟模式同樣存在兩個波峰且低速區占據較大比例，表明在低速爆轟階段，爆轟波在管道內傳播較長的距離。

圖7為C2H2+5N2O氣體在初始壓力為8 kPa時，爆轟波在管道內的傳播狀況。當爆轟波進入管道并傳播一段距離后，其速度迅速降至0.52vCJ左右，并以此速度穩定傳播至管道末端，如圖7所示，此種傳播模式稱為低速爆轟。從圖中也可以看出，爆轟波速度主要落于0.52vCJ左右。

圖8所示為C2H2+2.5O2+70%Ar氣體初始壓力小于其所對應的臨界壓力時，爆轟波在管道內傳播情況。在此壓力下爆轟波在進入到管道并傳播一段距離后，其速度會突然衰減并降低至0.3vCJ以下并形成爆燃波直至爆燃波徹底失效，此種傳播模式稱為失效模式。

通過對所有組分氣體在不同管道內爆轟波速度波動的總結得出，共存在六種不同傳播模式，分別為：模式1(穩態爆轟)，速度在vCJ附近；模式2(快速波動爆轟), 模式3(結巴式爆轟)，速度均在0.8vCJ～vCJ之間；模式4(馳振爆轟)，速度在0.4vCJ～1.4vCJ;模式5(低速爆轟),速度在0.5vCJ的; 模式6(爆轟失效狀態),速度小于0.5vCJ。

對于給定的氣體，隨著初始壓力的降低，爆轟波將從穩態傳播模式向速度波動較大的非穩態傳播模式轉變，且在某些特定的壓力下，將交替出現多種傳播模式，如圖9所示，當爆轟波進入管道后，以快速波動模式在管道內傳播，在傳播至約600 mm處時，出現馳振爆轟模式，隨后爆轟波又恢復至快速波動模式繼續在管道內傳播。從圖9可以看出，爆轟波速度在0.9vCJ處形成波峰，表明存在快速波動模式，同時在1.3vCJ處爆轟波速度發生過載，表明存在馳振爆轟現象。根據不同傳播模式下速度的波動范圍，對采用的碳氫混合物爆轟波傳播模式進行分類，如表1所示。

表1 不同管徑和初始壓力下五種碳氫混合物爆轟傳播模式分類Table 1 The various evlution modes of the five tested mixtures in different diameter tubes and initial pressures

注：表中管徑的單位為mm。

由表1可以看出，對于活化能較低的高濃度氬氣(70%和85%)稀釋后的C2H2+2.5O2混合氣(Ⅰ，Ⅱ)，隨著初始壓力的降低，兩種氣體爆轟波在管道內穩定傳播，只出現穩態(模式1)，快速波動(模式2)及失效(模式6)三種傳播模式，并沒有出現較大速度波動模式，如結巴式(模式3)及馳振式爆轟(模式4)模式等。對于活化能較高的C2H2+5N2O(Ⅲ)、C3H8+5O2(Ⅳ)和CH4+2O2(Ⅴ)三種氣體，爆轟波傳播過程非常不穩定。隨著初始壓力的逐漸降低，爆轟波速度波動逐漸增大。對于結巴式爆轟，僅存在于Ⅳ、Ⅴ兩類氣體爆轟波在內徑為12.7 mm管道內傳播的過程中，且對應的壓力范圍很小，而對于Ⅲ種氣體，則未發現結巴式爆轟。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類氣體爆轟波在不同內徑管道內傳播時均觀察到馳振爆轟現象。在相同管道內出現馳振爆轟時，Ⅴ類混合氣體所對應的臨界壓力遠大于Ⅲ、Ⅳ兩類混合氣體出現馳振爆轟的臨界壓力，說明Ⅴ類混合氣體非常不穩定。通過比較三種不同混合氣體在不同內徑管道內出現馳振爆轟的壓力區間可以得出，隨著管徑的逐漸增大，馳振爆轟所出現的壓力區間逐漸減小，如Ⅴ類混合氣體在內徑為1.5 mm管道內所對應的馳振爆轟壓力區間為84～32 kPa，而在內徑為12.7 mm管道中傳播時壓力區間范圍減小至10～4 kPa。對于小內徑(1.5 、3.2 mm)管道，在爆轟波失效之前均出現低速爆轟模式，但其壓力區間很小，而在內徑為12.7 mm管道內卻未發現低速爆轟模式，說明低速爆轟模式依賴于管道內徑尺寸。

3 結 論

(1)臨近極限狀態下，爆轟波在管道內傳播的速度波動逐漸增大，會呈現六種不同的傳播模式：穩態、快速波動、結巴式、馳振式、低速以及失效模式。對于特定組分氣體，在某些特定壓力下，交替出現多種傳播模式。

(2)對于活化能較低的混合氣體，如C2H2+2.5O2+70%Ar和C2H2+2.5O2+85%Ar，在其傳播過程中速度波動較小，只存在穩態、快速及失效模式；而對于活化能較高的C2H2+5N2O、C3H8+5O2和CH4+2O2三種混合氣，在其傳播過程中速度存在較大波動，且隨著初始壓力的逐漸降低，依次出現六種傳播模式。

(3)管道尺寸能影響爆轟在管道中的傳播模式的形成及演變，CH4+2O2混合氣體的非穩定性遠大于C3H8+5O2和C2H2+5N2O兩種氣體，且出現馳振爆轟的壓力區間隨著管徑的增加而逐漸減小。