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。     

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。     

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。     

Ar稀释C2H2+2.5O2预混气高频爆轰的端面结构

为了研究预混气爆轰的内部结构,对不同浓度的Ar稀释的C₂H₂+2.5O₂预混气进行爆轰实验和数值计算。首先,在内径63.5 mm的管道内进行爆轰实验,使用烟熏玻璃记录了不同初始压力下C₂H₂+2.5O₂预混气的爆轰端面结构。使用数字化图像处理技术来分析烟熏玻璃记录的三波点轨迹,以减少人为误差。然后,观察实验结果并描绘规则图形,图像识别程序经过验证后,用于分析实验结果。从端面结构中对封闭图形进行圆的拟合,用胞格半径方差来表示胞格大小的均匀程度;用相邻胞格圆心距的方差来表示胞格分布的规则程度。通过对比不同Ar稀释下半径方差和圆心距方差随胞格数量的变化,给出不同浓度Ar稀释下C₂H₂+2.5O₂预混气的端面胞格尺寸及分布规律,随着Ar浓度的升高,预混气端面胞格分布更加规律。     

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。     

气相爆轰波在90矩形弯管中传播时胞格结构的演化

利用烟迹技术实验获得气相爆轰波在90矩形弯管中传播时留下的胞格图案，详细分析了胞格结构在矩形弯管中的演化规律。同时分析了90矩形弯管的曲率半径和预混气体初始压力对胞格结构演化的影响。实验所采用的预混气体初始压力为33.3、26.7、24.0、16.0、10.7 kPa，90矩形弯管的曲率半径分别为100、50 mm。研究爆轰波胞格结构在弯管中的演化过程有助于深入了解气相爆轰波绕射机理和石油天然气等管道设计。     

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。     

直管内胞格爆轰的基元反应数值研究

基于基元反应和二维欧拉方程，对直管内胞格爆轰进行了数值模拟。采用5阶WENO(weighted essentially nonoscillatory scheme)求解对流项，采用2阶附加半隐的龙格-库塔法处理化学反应源相引起的刚性。获得了密度、压力、温度和典型组元质量分数流场及数值胞格结构等。结果表明:网格精度的差异明显影响胞格的规则性和爆轰的平衡模数，随着网格尺度的减小，胞格由不规则变为规则。预混气组成、初压、初温及管道宽度给定，三波点数收敛为确定值。足够强度的初始扰动可再现胞格爆轰，最终形成的自持胞格爆轰模数与初始扰动的形状、大小、位置均无关。沿胞格中心线，爆轰波速度变化范围为0.88DCJ~1.5DCJ，爆轰波平均速度与CJ爆轰速度仅偏差0.88％。峰值压力与初压之比为14~50。计算爆轰波平均速度、胞格宽长比与实验值基本一致，但计算胞格宽度比实验值略小。数值模拟加深了对横波的产生和发展、未反应气囊、爆轰胞格的二次起爆等胞格爆轰特性的认识。     

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。     

气相爆轰波在收缩管道中的传播

详细介绍了对气相爆轰波沿收缩管道传播时发生Ｍａｃｈ反射的系统研究。管道中安装了不同楔角的楔块，采用了多种气体组分按不同的初压分组进行实验。在烟薰玻璃片上记录到了爆轰波Ｍａｃｈ反射的三波点迹线，其两侧胞格尺寸和密度的变化清晰可见。推算了爆轰波从Ｍａｃｈ反射向规则反射转变的临界角。压力传感器记录了Ｍａｃｈ反射时楔面上压力和速度的变化。上述参数与空气激波Ｍａｃｈ反射作了比较。编制了爆轰波Ｍａｃｈ反射计算程序，检验了ＣＣＷ理论对于爆轰波传播的可用程度，理论值和实验值在楔角不大于３０时相当吻合。     

用于爆轰驱动的射流起爆实验研究

爆轰驱动激波风洞的自由来流模拟范围与驱动气体的爆轰极限密切相关,爆轰极限越宽则模拟范围越大。驱动气体一般是通过点火管进行起爆的,提高点火管的起爆能力可以拓宽爆轰极限。为了提高点火管起爆能力,就点火管口径、点火气体爆轰敏感性和单/双点火管3种因素的影响进行了实验研究。在不同的点火管初始条件下,对驱动段波速进行了测量。结论如下:(1)提高点火管口径可以显著提升起爆能力;(2)点火气体爆轰敏感性对起爆能力有影响,点火管为缩径内型面时,低敏感性气体起爆能力更强,点火管为等径内型面时则低敏感性气体和高敏感性气体的起爆能力大体持平;(3)在保证射流同步的前提下,双点火管能够提高起爆能力,为保证射流同步性需使用化学恰当比的氢氧混气等爆轰敏感性强的点火气体。     

氢气/丙烷/空气预混气体爆轰性能的实验研究

通过采用压力传感器和烟灰板两种测试设备,开展了常温常压下氢气/丙烷和空气混合气体爆轰性能的实验研究。实验过程中观察到自持爆轰波,爆轰速度比值在0.99~1之间,爆轰压力比值在0.8~1.2之间。爆轰胞格尺寸在10~50 mm范围内,建立了爆轰胞格尺寸和化学诱导长度的关系式。随着丙烷不断添加,爆轰速度减小,而爆轰压力和胞格尺寸增加。这种变化趋势起初较快,而后变缓。因为起初氢气摩尔分数较大,混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能;而后因丙烷摩尔质量较大,丙烷逐渐起主要作用,混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。     

大型水平爆轰管中悬浮铝粉爆炸过程的实验研究

铝粉的燃烧与爆轰性能是粉尘爆炸领域研究的热点.利用长29.6m,内径199mm,配有40套喷粉扬尘系统的水平爆轰管,在40J电火花点火条件下,实现了悬浮铝粉-空气混和物火焰加速、爆燃、爆轰及其转捩过程,测得了爆炸波传播过程中的压力信号,并且观察到了爆轰波的稳定传播现象.实验结果表明,当铝粉浓度为300 g/m3时,在距离点火端10.15m(长径比L/D=51)处发生了DDT,测得的爆轰波传播过程中管内的最大爆速为1840m/s,最大峰值超压为10.5MPa.铝粉尘爆炸波在爆轰管内的传播过程可分为爆燃段、爆燃转爆轰(DDT)、爆轰增强以及稳态爆轰四个阶段.     

Propagation of near-limit gaseous detonations in small diameter tubes

In this study, detonation limits in very small diameter tubes are investigated to further the understanding of the near-limit detonation phenomenon. Three small diameter circular tubes of 1.8, 6.3, and 9.5 mm inner diameters, of 3 m length, were used to permit the near-limit detonations to be observed over long distances of 300 to 1500 tube diameters. Mixtures with high argon dilution (stable) and without dilution (unstable) are used for the experiments. For stable mixtures highly diluted with argon for which instabilities are not important and where failure is due to losses only, the limit obtained experimentally appears well to be in good agreement in comparison to that computed by the quasi-steady ZND theory with flow divergence or curvature term modeling the boundary layer effects. For unstable detonations it is suggested that suppression of the instabilities of the cellular detonation due to boundary conditions is responsible for the failure of the detonation wave. Different near-limit propagation regimes are also observed, including the spinning and galloping mode. Based on the present experimental results, an attempt is made to study an operational criterion for the propagation limits of stable and unstable detonations.     

可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究

我们成功地研制了长为6.6m、内径为100mm的柱形爆炸激波管。利用此激波管我们研究了氢气和氧气混合物的爆炸特性。研究表明:氢气和氧气混合物的可爆性极限为25％H2至84％H2（体积比）;混合物起爆的临界初始压力P0c近似与混合物的浓度无关。我们还用石英传感器技术测量了混合物从爆燃转变为爆轰的过程（DDT）,确定了爆炸速度、爆炸压力与混合物初始压力P0的关系。爆燃波速度D和压力P快速增加,并且DG0（声速）时,爆燃波能转变成爆轰。爆燃波速度D和压力P衰减时,爆燃波将熄灭。氢氧混合物浓度接近上限时,爆燃向爆轰转变时的爆轰呈过激励状态,然后逐渐趋于正常爆轰。C-J理论可近似预估气体爆轰参数。     

爆速对爆炸焊接铝/不锈钢复合管界面及结合性能的影响

通过在粉状乳化炸药中添加不同比例的密度调节剂,配制了爆速范围为1 450~2 550 m/s的低爆速炸药;采用该爆速炸药进行了铝/不锈钢复合管爆炸焊接实验,结合最小碰撞速度理论,对实验结果及其界面微观结构和结合强度进行了测试和分析,确定该复合管爆炸焊接的合适爆速约为1 950~2 150 m/s,其结合质量能够满足后续加工要求;同时发现界面由介于直线与波形之间的波状形态组成,且呈现不太规则的扁平波状结合,经分析,炸药爆速、复合管的爆炸焊接环境和爆炸产物飞散条件对界面结合波形及熔化层厚度有很大影响。     

三爆轰管-脉冲爆轰发动机的近场噪声特性

为研究三爆轰管脉冲爆轰发动机噪声的形成机理和特性,设计了正三角形组合的三爆轰管PDE实验系统,分别在与中心轴线成0°、30°、60°及90°方向上,对8个不同距离处的声压进行了测量,结果表明:不同距离处噪声幅值最大值均在30°方向上;爆轰噪声的参考半径为3倍“名义管径”;爆轰噪声的A持续时间随着r(距离三爆轰管名义“中点”的直线距离)的增加近似线性减小,并随着角度的增大而减小。B持续时间与声压值的大小成反比关系,并且随着轴向距离的增加而增加。在不同的方位角上,峰值声压越大,B持续时间越小。