顏秉健，張 博,2，高 遠，呂樹光

(1.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 上海 200237;2.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)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(xué)反應(yīng)的沖擊波。爆轟波通過其前導(dǎo)沖擊波壓縮可燃氣體實現(xiàn)自燃點火，并借助燃燒釋放的化學(xué)能實現(xiàn)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(guī)律的影響，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)遠離爆轟極限時，爆轟波在管道內(nèi)穩(wěn)定傳播；當(dāng)臨近爆轟極限時，爆轟波穩(wěn)定性減弱，傳播過程變得非常復(fù)雜，并伴隨一系列非穩(wěn)定現(xiàn)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(xiàn)螺旋爆轟現(xiàn)象，Manson等[10]對C3H8-O2混合氣體爆轟波的研究發(fā)現(xiàn)，某些條件下爆轟波速度將出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)在一定壓力下存在低速爆轟，并以約0.6vCJ的速度在管道內(nèi)穩(wěn)定傳播。目前對于爆轟波的不穩(wěn)定傳播模式的產(chǎn)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(nèi)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(fù)雜傳播模式和氣體活化能之間的關(guān)系。

1 實驗裝置

實驗裝置主要由爆轟管、點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及充、配氣系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。爆轟管道由驅(qū)動段和測試段組成。驅(qū)動段為長度1300 mm、內(nèi)徑65 mm的鋼管，在起爆端位置設(shè)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(wěn)態(tài)爆轟。測試段為透明的聚碳酸酯管。測試段規(guī)格有3種：(1)內(nèi)徑1.5 mm、長2.438m；(2)內(nèi)徑3.2 mm、長2.438 m；(3)內(nèi)徑12.7 mm、長4.118 m。

采用PCB壓力傳感器(型號：113B24，響應(yīng)頻率：500 kHz，量程：0～6.9 MPa，輸出電壓：0～5 V)測量驅(qū)動段內(nèi)爆轟波到達時間，用以計算在驅(qū)動段內(nèi)是否形成并達到穩(wěn)態(tài)的爆轟波。采用光學(xué)探針測試系統(tǒng)[5]測量測試段內(nèi)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(xué)探針輸出信號。通過CEA[15]程序計算預(yù)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(yù)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(qū)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(yù)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(jié)果及討論

對于給定的預(yù)混氣體和管道，實驗中通過逐漸降低預(yù)混氣在管道內(nèi)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(yīng)的臨界壓力時，爆轟波在管道內(nèi)的傳播情況。圖3中橫坐標(biāo)為爆轟波在測試段管道內(nèi)的傳播距離，縱坐標(biāo)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(nèi)傳播時其速度波動很小，并以穩(wěn)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(wěn)態(tài)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(nèi)傳播情況。圖4表明爆轟波在管道內(nèi)傳播時出現(xiàn)局部速度波動，但仍能夠以平均速度0.9vCJ在管道內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(fā)生過載現(xiàn)象，由于過載時爆轟波(v≈1.4vCJ)不能自持穩(wěn)定傳播，故當(dāng)爆轟波經(jīng)歷過載階段后速度隨之降低，并逐漸達到CJ爆轟狀態(tài)(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(qū)占據(jù)較大比例，表明在低速爆轟階段，爆轟波在管道內(nèi)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(nèi)的傳播狀況。當(dāng)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(wěn)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(yīng)的臨界壓力時，爆轟波在管道內(nèi)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(nèi)爆轟波速度波動的總結(jié)得出，共存在六種不同傳播模式，分別為：模式1(穩(wěn)態(tài)爆轟)，速度在vCJ附近；模式2(快速波動爆轟), 模式3(結(jié)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(tài)),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(wěn)態(tài)傳播模式向速度波動較大的非穩(wěn)態(tài)傳播模式轉(zhuǎn)變，且在某些特定的壓力下，將交替出現(xiàn)多種傳播模式，如圖9所示，當(dāng)爆轟波進入管道后，以快速波動模式在管道內(nèi)傳播，在傳播至約600 mm處時，出現(xiàn)馳振爆轟模式，隨后爆轟波又恢復(fù)至快速波動模式繼續(xù)在管道內(nèi)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(fā)生過載，表明存在馳振爆轟現(xiàn)象。根據(jù)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(nèi)穩(wěn)定傳播，只出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)(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(xiàn)較大速度波動模式，如結(jié)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(wěn)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(jié)巴式爆轟，僅存在于Ⅳ、Ⅴ兩類氣體爆轟波在內(nèi)徑為12.7 mm管道內(nèi)傳播的過程中，且對應(yīng)的壓力范圍很小，而對于Ⅲ種氣體，則未發(fā)現(xiàn)結(jié)巴式爆轟。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類氣體爆轟波在不同內(nèi)徑管道內(nèi)傳播時均觀察到馳振爆轟現(xiàn)象。在相同管道內(nèi)出現(xiàn)馳振爆轟時，Ⅴ類混合氣體所對應(yīng)的臨界壓力遠大于Ⅲ、Ⅳ兩類混合氣體出現(xiàn)馳振爆轟的臨界壓力，說明Ⅴ類混合氣體非常不穩(wěn)定。通過比較三種不同混合氣體在不同內(nèi)徑管道內(nèi)出現(xiàn)馳振爆轟的壓力區(qū)間可以得出，隨著管徑的逐漸增大，馳振爆轟所出現(xiàn)的壓力區(qū)間逐漸減小，如Ⅴ類混合氣體在內(nèi)徑為1.5 mm管道內(nèi)所對應(yīng)的馳振爆轟壓力區(qū)間為84～32 kPa，而在內(nèi)徑為12.7 mm管道中傳播時壓力區(qū)間范圍減小至10～4 kPa。對于小內(nèi)徑(1.5 、3.2 mm)管道，在爆轟波失效之前均出現(xiàn)低速爆轟模式，但其壓力區(qū)間很小，而在內(nèi)徑為12.7 mm管道內(nèi)卻未發(fā)現(xiàn)低速爆轟模式，說明低速爆轟模式依賴于管道內(nèi)徑尺寸。

3 結(jié) 論

(1)臨近極限狀態(tài)下，爆轟波在管道內(nèi)傳播的速度波動逐漸增大，會呈現(xiàn)六種不同的傳播模式：穩(wěn)態(tài)、快速波動、結(jié)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(xiàn)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(wěn)態(tài)、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(xiàn)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(wěn)定性遠大于C3H8+5O2和C2H2+5N2O兩種氣體，且出現(xiàn)馳振爆轟的壓力區(qū)間隨著管徑的增加而逐漸減小。