孔板扰动对爆轰波胞格结构特性影响的实验研究

实验采用稳定预混气2H₂+O₂+3Ar及不稳定预混气C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂，在圆形爆轰管内通过烟膜手段记录了爆轰波的胞格结构，得到了胞格尺寸与初始压力之间的关系式；研究了胞格结构在扰动上下游的变化过程，分析了胞格不稳定性对胞格结构特征的影响，获得了爆轰波经过扰动后重新恢复至平衡状态的特征尺度。结果表明:爆轰波经过扰动后，对于稳定预混气，在扰动下游主胞格结构变得不规则，没有出现次生胞格；对于不稳定预混气，扰动下游伊始爆轰波的次生模态被抑制，由于爆轰波自身的不稳定性，随后出现了局部爆炸点及精细胞格结构；爆轰波在扰动下游传播了一段距离后恢复至平衡状态，该长度在8～15倍之间的胞格尺寸范围内变化，并且随初始压力的变化趋势并不明显。研究结果反映出爆轰波经过孔板扰动后恢复至平衡态所需的长度与爆轰波流体动力学厚度相当。     

惰性气体对C3H8可燃下极限的影响

为探究CO₂、N₂和Ar对C₃H₈可燃下极限的影响,在5 L爆炸容器中测定了C₃H₈在O₂/CO₂、O₂/Ar、O₂/N₂三种气氛下的可燃下极限。首先分析了稀释气浓度、稀释气种类和氧气浓度对C₃H₈的可燃下极限的影响。结果表明,在O₂/CO₂气氛下,稀释气浓度变化对C₃H₈的可燃下极限影响最大,对O₂/Ar的影响次之,对O₂/N₂的影响最小。在相同稀释气浓度条件下,CO₂对C₃H₈可燃下极限的影响最大,N₂的影响次之,Ar的影响最小。随着O₂浓度的上升,O₂/CO₂气氛的可燃下极限出现较为明显的下降,O₂/N₂和O₂/Ar的氛围的可燃下极限平缓上升。通过建立能量平衡方程分析了稀释气的比热和辐射效应对可燃下极限的影响。结果表明,混合气比热的改变是C₃H₈可燃下极限改变的主要原因,辐射热损失是影响可燃下极限的重要因素。     

气相爆轰波近失效状态的传播模式

选用五种碳氢混合气体,采用高压电火花起爆的方法,利用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,研究临近失效状态时爆轰波在管道内的传播模式。实验是在自行研制的爆轰管道中进行的,其包括驱动段及内径分别为1.5、3.2、12.7 mm三种规格的测试段。实验结果再次验证了爆轰波在管道内传播时可以有六种不同的传播模式:稳态爆轰、快速波动爆轰、结巴式爆轰、驰振爆轰、低速爆轰和爆轰失效。其中C₂H₂+2.5O₂+70% Ar、C₂H₂+2.5O₂+85% Ar两种组分混合气体（具有较低活化能）,在爆轰波传播过程中只有稳态、快速波动和失效三种模式;而C₃H₈+5O₂、C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂三种组分混合气体（具有较高活化能）在传播过程中出现六种不同模式。上述结果表明,除气体组分、初始压力等因素外,混合气体的活化能可能对爆轰波在管道内的传播状态也有影响。     

氩气对乙炔预混气爆轰不稳定性的影响及量化分析

为定量研究氩气对预混气爆轰不稳定性的影响,在管径为50.8、63.5 mm的管道内对未稀释及氩气稀释(氩气的体积分数为50%、70%、85%)的C₂H₂-O₂预混气进行了实验研究和量化分析,通过烟膜轨迹获得了不同初始压力下各种预混气的爆轰结构。对烟膜图像进行数字化处理,得到了氩气稀释下C₂H₂-O₂预混气爆轰轨迹的不规则度表征:轨迹间距的柱状图、标准差曲线、自相关函数。结果表明:随着氩气体积分数的升高,三波点轨迹愈加规则,不稳定性在爆轰自持传播过程中逐渐失去主导作用。稀释后预混气爆轰轨迹间距的柱状图和自相关函数的峰值和分布离散情况基本一致,与标准差分布一致。C₂H₂-O₂-85%Ar、C₂H₂-O₂-70%Ar、C₂H₂-O₂预混气的柱状图主胞格尺寸占比分别为33%、23%、20%,标准差分别为2.66~6.60 mm、5.37~10.96 mm、27.63~36.67 mm,自相关函数的第1个最高峰值分别高于其他峰值1/3倍、1/6倍、1/7倍。通过分析标准差数据,拟合得到氩气的体积分数与不稳定度的多项式函数,为选取不稳定度和氩气稀释浓度提供了依据。     

管道内全阻塞障碍物对气相爆轰波传播特性的影响

建立了长2 800 mm、内径为50 mm的圆管内爆轰波传播实验装置,采用光电二极管探测火焰锋面以获得爆轰波的传播速度,采用烟迹法记录爆轰波的胞格结构。通过在管道不同位置设置阻塞率为1的聚丙烯薄膜,研究不同初始压力下不同氩气稀释浓度的C₂H₂+2.5O₂+nAr预混气体爆轰波在通过全阻塞障碍物前后传播速度及胞格结构的变化。结果表明,气相爆轰波在达到稳态爆轰后,在通过全阻塞薄膜障碍物的过程中会产生2种不同的传播形式:速度亏损和爆轰失效。气相爆轰波穿过不同区域的传播过程可以分为3个阶段:稳态传播阶段、速度亏损阶段或爆轰失效阶段、过驱爆轰阶段。     

低稀释度条件下乙烯点火特性的激波管研究

在激波管中利用反射激波后高温环境加热燃料,以燃料点火过程中氢氧自由基特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志,在温度范围800 1 650K,压力0.2MPa, 0.7MPa, 1.2MPa,化学当量比为0.5, 1, 2,O₂ 浓度为空气含量20% 的条件下,进行了C₂H₄/O₂/Ar 混合气在低稀释度条件下点火特性的实验研究. 获得了乙烯点火延时随温度、压力、化学当量比、燃料以及氧化剂浓度等参数变化的拟合关系式. 对乙烯点火转爆轰现象进行了初步观察,考察了初始温度对乙烯点火特性以及点火转爆轰的影响.      

低稀释度条件下乙烯点火特性的激波管研究简

在激波管中利用反射激波后高温环境加热燃料,以燃料点火过程中氢氧自由基特征发射光谱强度的急剧变化作为点火发生的标志,在温度范围800 1 650K,压力0.2MPa, 0.7MPa, 1.2MPa,化学当量比为0.5, 1, 2,O₂ 浓度为空气含量20% 的条件下,进行了C₂H₄/O₂/Ar 混合气在低稀释度条件下点火特性的实验研究. 获得了乙烯点火延时随温度、压力、化学当量比、燃料以及氧化剂浓度等参数变化的拟合关系式. 对乙烯点火转爆轰现象进行了初步观察,考察了初始温度对乙烯点火特性以及点火转爆轰的影响.     

高浓度氩气稀释气体爆轰波临界管径和临界间距关系

建立圆管及环形管道系统研究临近极限下爆轰波在管道内传播失效机理。选用C₂H₂+2.5O₂+70%Ar气体,采用光纤探针测量爆轰波在管道内传播速度,用烟迹法记录管道内爆轰波胞格结构。结果表明:初始压力远大于爆轰极限压力时,爆轰波在管道内以稳定速度传播;随着初始压力的减小,爆轰波速度逐渐降低;当初始压力一定时,爆轰波速度随着管道尺寸的减小而逐渐减小;当初始压力达到临界压力时,爆轰波在进入到管道内后其速度会逐渐衰减直至爆轰波完全失效。对于不同几何尺寸的圆管与环管,通过引入无量纲参数d/λ及w /λ(d为圆管管径,w为环管间距,λ为爆轰胞格尺寸)得出,爆轰波在管道内传播的临界圆管直径为环形间距的2倍,与理论模型结果相吻合,验证了稳态气体基于爆轰波波面曲率的失效机理。     

掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响

含氢多组分燃料由于其优良的燃烧特性逐渐成为研究关注的重点。为了对掺氢燃料的爆轰特性作进一步的研究，设计了长3 000 mm、管径30 mm的圆柱形半封闭燃烧室，对不同初压下的CH₄-2O₂、6CH₄-H₂-12.5O₂、3CH₄-H₂-6.5O₂（掺氢比分别为0%、5.1%、9.5%）3种预混合气的爆轰特性进行了实验研究，并采用烟熏膜、离子探针和压力传感器分别探测胞格结构、火焰位置和内部压力。结果表明，甲烷/氧气掺氢后可以有效提高爆轰波的传播速度，且掺氢浓度越高，传播速度越快；同时，氢气的掺入可减少管道出口处的速度亏损并在初始压力较低时加速火焰和激波的耦合，降低胞格尺寸，提高爆轰敏感性。     

H_2—O_2爆轰时Ar浓度对产生胞格结构的影响

作者在方形爆轰管中进行了H_2—O_2—Ar系统的实验研究。在由Ar稀释的H_2—O_2混合物的爆轰实验中得到了规则的胞格结构图案。也得到了胞格形成的临界曲线,并与爆炸极限曲线进行了对照,两者的趋势是一致的。另外,测量了从点火处到胞格形成处之间的距离及胞格区的长度。最后分析了氩Ar浓度对H_2—O_2爆轰的抑制作用。     

点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响

利用矩形截面激波管研究点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响。采用压电传感器记录测点压力时间历程，采用光谱仪和光电倍增管记录自发光强时间历程，以压力、总自发光强与·OH和·CH自由基特定能级发射光强等信号判定是否发生自点火，给出自点火过程的时间起始点和终止点，得到了不同点火准则和稀释气体对应的乙烯/氧气/氮气和乙烯/氧气/氩气点火延时。结果表明:相同工况的乙烯点火延时测量数据相对误差约为15%，数据验证了本文实验和测量方法可靠性。针对当量比为1.0、压力为0.2 MPa，得到了温度范围为905～1 489 K，稀释气体的摩尔分数为75%氮气和75%氩气时的乙烯点火延时，给出点火延时和温度拟合的Arrhenius型表达式。不同点火准则会影响所测点火延时数据，但多次测量结果确定的点火延时和温度变化规律近似相同。不同稀释气体对激波管自点火流场的影响表现为和流场均匀性以及混合物比热相关。相同工况的乙烯/氧气/氮气点火延时大于乙烯/氧气/氩气点火延时。高温区和低温区的乙烯/氧气/氩气点火延时与温度的拟合关系不同，转折温度约为1 121 K。     

石化装置工业尺度管道爆轰传播实验研究

针对石化装置罐区大口径、长距离管道内火焰传播缺乏系统研究的问题,设计搭建了DN50～DN500工业尺度管道火焰传播实验装置,并开展了丙烷/空气、乙烯/空气等可燃气体在不同管径下的实验研究。实验结果表明:可燃气体积分数对火焰传播及爆轰有一定影响,当接近化学计量浓度时,爆轰加速距离更短,更易形成稳态爆轰,而当可燃气混合气为贫燃或富燃状况时,爆轰加速距离则会增长;火焰爆轰传播速度、爆轰压力与管道管径基本无关,受可燃气种类影响更大;对应体积分数为6.6%的乙烯/空气和体积分数为4.2%的丙烷/空气混合气体,爆轰压力分别是初始压力的15.17和14.47倍,DN150以下管径内的爆轰压力远高于ISO16852标准给出的参考值。罐区连通管道阻火器选型安装时,应结合安装位置选用合适的阻火器。     

C2H2/Ar流量比对a-C:H涂层结构及摩擦学性能的影响

a-C:H涂层因具有高硬度、低摩擦系数及良好的化学惰性等性能,使其作为表面防护材料具有广泛的应用前景,而涂层中的H含量和sp2C/sp3C比值是影响其力学及摩擦学性能的重要因素. 本研究中采用非平衡磁控溅射技术在9Cr18钢表面制备了a-C:H涂层,对比研究了前驱体组成对不同结构含H碳膜的氢含量、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响. 结果表明:增大C₂H₂/Ar流量比,涂层的生长率及H含量逐渐增大,但致密性降低. 由于涂层中C-H键及致密性的变化,a-C:H涂层的硬度和弹性模量随C₂H₂/Ar流量比的增大而逐渐减小,但结合强度却先增大后降低. 当C₂H₂/Ar流量比低于4:3时,涂层表现出良好的减摩耐磨性能,当C₂H₂/Ar流量比高于4:3时,涂层的摩擦系数和磨损率出现了急增的现象. 总体而言,a-C:H涂层的摩擦系数和磨损率随C₂H₂/Ar流量比的增加呈现先增大后降低的趋势. 由于H原子的钝化作用及涂层力学性能的变化,使a-C:H涂层的磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损变为磨粒磨损. 当C₂H₂/Ar流量比为1:1时,a-C:H涂层具有最低的摩擦系数(约为0.1)和磨损率[8.0×10?8 mm3/(N·m)],表现出最佳的力学及摩擦学性能,这种性能的变化与涂层中的H含量和sp2C/sp3C比密切相关.      

初始压力和狭缝宽度对毫米量级狭缝内爆轰起爆距离的影响

为获得狭缝内爆轰起爆距离的影响因素,分别在高度为1.0 mm,宽度为10、20、30 mm的狭缝爆轰管内,对不同初始压力下(p₀=5.0~50.0 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体进行了单次爆轰性能实验研究。根据烟迹法、高速摄影图片判定起爆位置,分析了初始压力和狭缝宽度对爆轰起爆距离的影响。结果表明:(1)p₀=21.0~30.0 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大而逐渐缩短;(2)p₀=35.0~42.5 kPa时,起爆距离随着狭缝宽度的增大先缩短后增大,在p₀=45.0~50.0 kPa时起爆距离随着狭缝宽度的增大基本保持不变;(3)3种狭缝宽度下,量纲一起爆距离随量纲一初始压力的变化曲线差异较大。     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中，组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器，采用C₂H₂/O₂/Ar反应，数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性，并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性，产生漩涡，加速能量、质量的交换。流场产生热点，促进火焰速度加快，追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内，前导激波速度越大，碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

比色测温技术在瞬态爆炸温度场测量中的应用研究

为了研究瞬态爆炸温度场分布规律,基于高速相机、黑体辐射理论、图像传感器的拜尔阵列和自编python代码,构建了依据比色测温原理的高速二维温度测试系统,并对添加不同含量TiH₂的乳化炸药、TiH₂粉尘以及C₂H₂气体的爆炸温度场进行了测量。实验结果表明:TiH₂的加入可以显著提高炸药的爆炸温度和火球持续时间,当乳化炸药中的TiH₂质量分数为6%时,爆炸平均温度最大值为3048 K,相比纯乳化炸药提高了41.5%;此外,TiH₂粉尘云火焰平均温度呈现先增大,再稳定,最后减小的趋势,浓度为500 g/m3的粉尘云火焰平均温度高于浓度为833 g/m3的平均温度,其最高平均温度分别为2231 和 2192 K;10%C₂H₂/90%空气预混气体（即体积分数为10%的C₂H₂和90%空气组成）的早期火焰温度均匀,内部略低于边缘温度,随着火焰膨胀,火焰边缘温度逐渐升高,火焰平均温度开始降低。与传统爆炸测温手段相比,比色测温方法可以准确测量某区域的瞬态爆炸温度,获得温度分布云图,为研究瞬态爆轰温度规律及影响因素提供了一种新的技术手段。