（工程力学专业论文）弯管中气体爆轰波传播特性研究.pdf

摘要 本文研究了气体爆轰波通过矩形截面管直角弯道时的传播特性和气体爆轰 ( 爆燃) 波通过图管中圆弧形弯管时的传播特性。前者包括爆轰波通过矩形管直角 弯道时的流动图像和通过直角弯道后的恢复稳定过程。 首先研究了氧气一氧气一氩气混合气体爆轰波通过矩形截面管直角弯道时的 传播特性，利用烟迹技术记录了实验现象，运用爆轰波波阵面结构理论和爆轰波 绕射理论对实验结果作了分析。结果表明平面气体爆轰波在尖角绕射时由于横波 失去碰撞以及稀疏波作用，稳定胞格结构在绕射区发生变化，并对主管中胞格畸 变区大小进行了理论计算。 其次，对分支管中爆轰波恢复稳定过程的研究表明，由于三波结构在绕劓的 曲面波阵面中消失，分支管中先形成了无胞格区，在复杂流动和前驱激波的反射 作用下，又出现超驱动爆轰现象，丽超驱动爆轰将逐步在分支管中衰减成稳定爆 轰。分支管中的超驱动爆轰现象给研究燃烧转爆轰过程( d d t ) 提出了新的方法。 最后，对丙烷空气一氧气混合气体爆轰( 爆燃) 波通过9 0 0 圆弧形弯管进行了 研究，乇要通过测量火焰速度的变化，对弯管前后的火焰加速过程进行比较后发 现弯管有加速气体爆轰( 爆燃) 波火焰运动的作用，并对二维圆弧形弯管内的波系 作用作了理论分析。这一研究结果对传统工业管道阻火器的使用提出了质疑。 关健词：气体爆轰波，弯管，胞格结构，绕射，反射，超驱动爆轰。 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ea u t h o rs t u d yt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s ti c so f d e t o n a t i o nw a v e rt h r o u g ht h eb e n d sw h i c hi n v o v ear i g h t a n g l e db e n di n ar e c t a n g u i a rt u b ea n da r la r cb e n di nac y l i n d r i c a lt u b e ， f i r s t l y ，c e l l so f g a s e o u sd e t o n a t i o nw a v e so fh y d r o g e n o x y g e na r g o n g a s e o u sm ix t u r o sa r er e c o r d e db yu s i n gs m o k es o o tm e t h o d a n a l y s i s ，u s i n g t h ei h e o r i e so fd e t o n a t i o nw a v ef r o n ts t r u c t u r ea n dt h ed i f f r a c t i o no f d e t o n a t i o nw a v e r - e v e a l st h a tt h ed i s a p p e a r i n go ft h et r a n s v e r s e w a v e s c 0 11 i s i o na n dt h ee x p a n dw a v e sr e s u i ti nt h ec e i ls d e f o r m i t yw h e n d e t o n a ti o nw a v e st r a n s m i tt h r o u g has h a r p a n g l e d9 0 0d e g r e e 。a n da t h e o r e t i cc a l c u l a t i o no ft h ec e l l s d e f o r m i t yr e g i o ni sc a r r i c do u t s e c o n d i y ，t h er e c o v e r jn go fs t e a d e t o n a t i o ni s j n v e s t i g a t e di nt h e b l a n c ht u b e t h en oe e l l u l a rs t r u c t u r er e g i o na p p e a r sd u et ot h e t r i p je w a v e ss t r u c t u r e sd i s a p p e a r i n go ft h ed i f f r a c t i o nd e t o n a t i o n w a v ei nt h ee n t r a n c eo ft h eb r a n c ht u b e t h ec o m p l e xf l o w sa n dt h e f e l l c c t i o no f lt h e1 e a d i n gs h o c kw a v ea rjs ot h eo v e r d r i v e nd e t o n a t i o n a f t e r w a r d ss t e a d yd e t o n a t i o nw a v ef o r m si nac e r t a i nd i s t a n c e t h e o v e r d r i y e nd e t o n a t i o nb r i n g sf o r w a r dan e wm e t h o do fs t u d y i n g d e f l a g r a t i o nt od e t o n a t i o n ( d d 、) l a s t l y t h e f l a m ea c c e i e r a t i o ni sd is c o v e r e dw h e np r o p a n e a i r o x y g e n d e t o n a t i o nw a v e sp a s st h r o u g ha n9 0 。a r cb e n di nac y li n d r i c a lt u b e a n d am o d e lo fw a v e s r e f a t i o ni ss t u d i e d b a s e do nt h er e s u l t s 。t h eu s eo f t h ef l a m ea r r e s t e r sw i t hc o n v e n t i o n a l d e s i g na n d i n s t a l l a t i o nint h e p i p e l in e si su n d e rq u e s t i o n k e y w o r d s ：g a s e o u sd e t o n a t i o nw a v e ，b e n d ，c e l l u l a rs t r u c t u r e ，d i f f r a c t i o n r e f e c l j o n ，o v e r d r i v e nd e t o n a t i o n 第章绪论 1 1 研究背景与意义m 3 第一章绪论 1 8 8 0 年| j i f 后，法国物理学家m b e r t h e l o t 、p v i e i l l e 、e m a ll a r d 和h l l e c h a t e l i e r 各自独立地在研究火焰传播的过程中发现了爆轰( d e t o n a t i o i l ) 现 象。他们的研究揭示出，火焰在充满可燃气体管道内传播时，正常情况下是以每 秒几米的低速传播的。但一定条件下，缓慢绕烧过程将变成非常迅速的过程，以 每秒几千米的速度向前传播。这第二种燃烧过程被称为爆轰。 爆轰学是一门介于流体力学、化学动力学和热力学之间的边缘学科，爆轰过 程包含复杂的化学反应动力学过程和激烈的流体力学运动，爆轰波的化学反应区 足化学反应和流体力学的强烈耦合区。它的研究和应用范围涉及炸药的性能研 究、研制和使用，内燃机，火箭，工业爆炸安全及环境保护等领域。其发展历史 较短，到目前为止，理论系统仍不完备。有关起爆、熄爆和爆燃( d e f l a g r a t i o r l ) 向爆轰转变( d d i ) 等过程的机理和规律还远没有达到令人满意的程度。 随着一f ：业的发展，又不断提出新的课题。矿井的瓦斯爆炸灾害，燃料泄露形 成的气雾造成的爆炸灾害，火灾中夹杂着的爆炸现象，核电沾的沸水型反应堆 ( b w r ) 中心的锆合金粉尘的爆炸问题”。，以及新一代的脉冲爆轰发动机( p d e ) ”研 究，这砦都是目前需要研究的。解决这些问题，就必须对含能物质爆轰形成、发 展和衰减的机制有一个深入的了解。瓦斯爆炸是矿难的一大祸首，许多发达国家 为了减少事故的发生，一般不开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。但中固是一个能 源饥渴大国，在目前我国的重点煤矿的5 7 6 处矿井中，高瓦斯矿井有2 7 7 处，占到 4 8 。因此可燃气体爆轰的研究已经成为一个十分重要和迫切需要的闯题。 7 i 体爆轰波在管道中传播时，管道形状对爆轰波传播特性将会产生很大的影 响。目前有关可燃气体爆轰问题的研究大多是在直管道中进行的。但是在实际工 程中，弯曲管道也是普遍存在的。在输送天然气、石油液化气、及其他燃气的管 道网路中，由于工程的需要，不可避免地存在弯管。例如石油化工企业中的燃烧 炉系统、火炬系统、油气回收系统、海上石油平台中的燃气输运系统和城市的民 用天燃气管道系统等，都有不同类型的弯管。可燃气体爆轰波经过弯管时，其传 弯管叶1 气体爆轰波传捕特性研究 播特性不同于直管道，但是由于问题的复杂性，气体爆轰波在弯管中传播究竟发 牛怎样的变化，至今尚未得到很好的解决。 在工业上广泛使用工业管道阻火器柬阻止可燃气体爆燃或爆轰火焰在输运 可燃气体的管道网路中传播，遏止爆炸事故的发生，保护工业设备的安全。每一 台管道阻火器的主要性能参数是其额定安全阻火速度值，当管道中的爆燃火焰或 爆轰火焰传播速度超过这一额定值时，阻火器有可能失去其阻火能力，这是非常 危险的。按照传统的观点，w a s t o n ”：所给出的在不同直径的一维直管道中火焰速 度与点火距离的关系曲线，直被用于确定管道阻火器的额定阻火速度值。例如 在英国崮家标准b s 7 2 4 4 给出的阻火器试验方法”2 和r o g o w s k i 编写的阻火器测试 手册“3 中所述，当管道中可燃气体组分、气体初始压力和温度等条件确定后，阻 火器额定安全阻火速度值仅仅取决于阻火器的位置到可能点火( 或回火) 处的最 大距离。这个距离就是火焰加速段长度，称为点火距离。我国的国家标准 g b l 3 3 4 79 2 “”也是仿照这个观点规定的。 如果简单采用直管中的爆轰或爆燃参数来选择阻火器的规格，对输送可燃气 体的管道网而言，显然是不安全的。当爆轰波经过带有弯管的管道系统，应如何 选择管道阻火器的规格是工业上面临的难题。所以可燃气体爆轰波在弯管中传播 特性的研究也是工业安全急需解决的课题之一。 从理论研究的角度看，一维平面爆轰波通过二维或三维管道时，由于擘面台勺 作用，使爆轰波及其后方产物区流场产生了复杂的影响。例如在二维管道中凸壁 处产生火焰熄灭区和在凹壁处产生高压区都已被实验所证实。如何从理论上正确 描绘爆轰波通过各种弯管道的图像很自然地成为理论工作者关心的课题之一。同 时对可燃气体爆轰波在弯管中传播特性的研究既可以更好了解爆轰波的绕射和 反射机理，也将推动相关学科的开拓与发展。 因此，系统研究可燃气体爆轰波在弯管中传播特性不仅具有学术价值，而 且具有实际应用价值，研究成果将为工业上抑爆、隔爆、熄爆以及能源开发等技 术提供依据。 1 2 研究现状 根对直管道而言，气体爆轰波在弯管中的传播过程则复杂得多，国内外公 第一章绪论 丌报道的较少，但是与之相关的一些问题已经有了比较广泛的研究，如气体爆轰 波d d t 过程研究“。“2 、气体爆轰波变截面管道传播以及管道内存在障碍物“。”1 等 情况下爆轰波的传播。 1 2 1d d t 过程研究现状 可燃气体混合物从点火到爆轰形成是一个十分复杂的过程。对于维直管道 中i 体爆轰波的起爆和传播过程，目前国内外已经有广泛的研究“”1 。 周凯元等人“”研究了爆燃波的火焰在直管道中的加速运动。实验结果表明， 在内壁光滑或近似光滑的直管道中，闭端点火比开端点火可获得更大的爆燃火焰 加速度，较大直径的管道所产生的火焰加速度也较大；管内有障碍物，将明显增 大爆燃火焰的加速度。 s t a m p s 等人”。利用z n d 模型和可加热爆轰管研究了预混气初始压力和温度对 氢气一空气一稀释剂混合气体爆轰波的影响，研究结果表明，随着初始温度的增加， 稀释剂抑制爆轰发生的能力大幅度下降。 可燃气体的燃烧转爆轰过程( d d t ) 研究。”在维等截面直管道的气体爆轰 研究中占据了相当比例，并且已经取得了显著进展，现阶段一般认为有两种燃烧 转爆轰的理论：火焰阵面的微分加速机制和火焰阵面的湍流加速机制“。两种机 制哪种起主要作用与装置条件有关，即湍流火焰在具体实验条件下的发展程度， 从而决定它所起的作用的大小。 s a l a m a n d r a 等人。3 。指出，在长等截面直管中爆轰波的形成是由于火焰阵面与 前驱冲击波相互作用的结果。从可燃混合气体被点火到爆轰形成共经历四个阶 段：火焰传播初始阶段；火焰缓慢传播阶段；火焰传播的再加速阶段：燃烧转爆 轰阶段。 袁生学“”等人的研究说明了燃烧的两种传播机制，一种是燃烧自身的蔓延， 另种是由运动速度比火焰传播速度快的点火源引导而形成的传播，进而指出了 可能存在的两种不稳定燃烧状态和两种极端物理过程的爆轰波，一种是不稳定燃 烧状态由爆燃加速到超过临界速度而致，另一种则是不稳定燃烧状态由激波诱导 燃烧引起，并采用简化理论计算了燃烧产物的压力和熵增随燃烧速度的变化规 律。 弯管中气体爆轰波传播特性研究 t h 。一s ：指出对于丙烷一氧气一氮气混合气体中，混合气体中氮气含量较高 时，火焰没有出现明显的加速现象，氮气含量较低时火焰出现向爆轰转变的过程。 b r o w n 等人“”研究了不同稀释剂的可燃混合气体激波起爆和爆轰形成过程。 图1 1 是他在实验中所拍摄的部分纹影照片，研究结果表明在相等的稀释体积含 量情况下，阻氲气作为稀释剂较以氮气作为稀释剂的混合气体更易被激波点燃。 ( 8 ) ( c ) l 型1 1 纹影分幅照片( 初压0 ，0 5 2 3 a r mz 、t = l ous ) 3 a ，岛h 1 + 3 0 ：+ 9 6 a r( 入射激波马赫数2 6 5 ) b ，c ：乩+ 3 0 。+ 1 2 a r( 入射激波马赫数2 6 4 ) c c 2 1 l 。+ 3 q + 1 2 n ：( 入射激波马赫数3 1 1 ) p e r a l d i 等人1 研究了在管道中爆燃向爆轰转变的临界条件。他们指出， d d t 过程发生需要火焰速度高于燃烧产物的声速。在设有内圆弧障碍物的管道中 d d t 发生的临界条件是d 九= 1 ，其中刈黾胞格宽度、d 是管道直径。c i c c a r e ll i 等人“研究了混合气体初始温度对火焰加速和d d t 过程的影响，对p e r a l d i 等人的 d d t 发生的临界条件标准进行了修正。 s m i r n o v 等人”采用二阶化学反应模型数值模拟了爆燃向爆轰转变的过程。 计算结果表明，爆轰波出现在火焰区，并且爆轰波的出现与活化能有关。 胡湘渝等人“”采用高精度格式和以基元反应为基础的真实化学模型，对低压 混合t i 体爆轰的直接起爆和传播特性进行了一系列的数值模拟研究。计算结果表 明封闭端的- 4 , 段高温高压区迅速点燃混合气体，形成很高压力，克服壁面的稀 第一章绪论 疏作用，并逐渐形成爆轰，首先形成的爆轰为超压爆轰，超压爆轰的爆速大二j 二j 下 常爆速，因此爆轰波阵面很快超过冲击波阵面，然后爆压逐渐下降并形成稳定爆 轰。 d o r o f e e v 等人”2 1 的研究表明气体爆轰波火焰传播、压力内建、d d t 过程和e 体组分、气体流动的紊乱、管道的几何形状有密切的关系。 u z n e t s o v 等人2 ”对甲烷空气混合气体带多个内圆环的管道中传播研究指 出：d d t 发生的临界条件为l 九= 7 ，其中九是胞格宽度，l 是内圆环的特征尺、， i 。依赖于圆环的几何尺寸和各圆环之间的间隔。 1 2 2 气体爆轰波在变截面管道中传播的研究现状 基于实际工业问题和理论研究的需要，国内外学者对气体爆轰波在变截面管 道中的传播特性做了较为详细的研究。”。普遍认为存在一个临界直径，即平面 爆轰波从管道传播到无限大空间而不熄灭的最小管径，因为当爆轰波进入扩张管 叫，由f 稀疏波的作用，爆轰波要衰减，前驱激波与化学反应区产生分离，诱导 区后的压力和温度都要降低。 s k e w s ”实验研究了马赫数为1 2 、1 5 、2 0 、3 o 及4 o 的平面入射激波经过 各种角度的尖角绕射问题。首先理论分析了在给定初始压力和初始马赫数的条件 下激波绕射的形状。并实验得到的不同角度尖角绕射激波在绕射壁上并不一定是 一条垂直于壁面的平直壁面激波曲线，也不一定与主激波曲线相切，只有在入射 激波马赫数为3 o 的情况下才存在垂直绕射壁的壁面激波曲线，在各种马赫数下， 不同角度的尖角绕射激波实际上组成一个包络线，它被看作是主激波曲线，不依 赖于尖角角度大小。实验还给出了不同尖角角度和不同入射激波马赫数情况下绕 射壁面马赫数，结果表明即使在大尖角角度和低入射激波马赫数情况下，入射激 波也不会在绕射壁面上衰减成声波。他还给出了稀疏波头与平直壁面的夹角与初 始激波马赫数的关系。几乎同时，s k e w s “。又研究了尖角绕射激波后方扰动区的 扰动行为。实验结果表明，当外折拐角角度大于7 5 0 时，滑移线的位置、普朗特 一迈耶流动区的末端、接触面速度和第二激波都与尖角角度大小无关。并且分析 了初始激波马赫数改变，对反射波、接触面、涡流和切向流的影响。 e d w a r d s 等人“”研究了平面爆轰波在管道面积突然增大时的绕射问题。通过 弯管中气体爆轰波传橘特性研究 实验记录的烟迹建立了得出，对于临界状态，重新点燃发生在管道面积突然增大 产生的膨胀波波头组成的楔顶点，而对于超临界状态，重新点燃发生在膨胀波波 头所组成楔的两侧沿着绕射孔径形成的狭长带。他们还得出了i 临界和超l 晒界条件 下重新引发爆轰的计算公式：= 5 c o t m 。，其中x 。为重新引发爆轰的激波位置， 3 s 为平稳胞格宽度，m 。为中心稀疏波头和直管纵向轴线夹角。 g a r t l m a ”研究了渐变截面管中气体爆轰波的传播过程。理论得出了渐变收 缩管道中不同位置截面积和爆轰波马赫数之间的计算公式，以及渐变发歆管道中 的诱导区长度计算方法、激波和化学反应区各自关于时间的函数。他们。3 ”还用纹 影方法研究了矩形截面管中平面爆轰波在不同尖角的绕射传播。由于可燃混合气 组分不同，平面爆轰波在不同尖角的绕射过程出现两种情况。对于丙烷一氧气一 氩气混合气体，入射爆轰波横波问距较小时，由于受到尖角产生的稀疏波作用， f j 驱激波与化学反应区分离，在绕射过程中发生局部爆轰，最终重新恢复稳定爆 轰；如果尖角角度超过4 5 “，则形成超驱动爆轰。对于丙烷一氧气一氮气的混合气 体，横波间距较大，跨越爆轰管的胞格数小于1 0 时，出现爆轰熄灭现象。他们的 理论分析结果说明，即使在化学反应与激波阵面分离的情况下，绕射激波阵面的 还是自相似的，说明几何形状的影响是主要因素。 陈成光等人”分别对氢气氧气一稀释剂和乙炔一氧气一稀释剂在不同条件下 进行了圆截面和方截面爆轰管实验，通过改变稀释剂种类、比例和圆锥管道的锥 角，研究了扩张管爆轰i 临界直径问题，得到了不同稀释剂浓度下方管中爆轰熄灭 的临界直径，同时运用非理想爆轰的流管理论得到了圆锥管道中不同锥角对临界 直径的影响。 徐胜利等人”3 研究了气体爆轰波在渐变扩张管中的传播特性，得到了爆轰波 绕射后的重点火准则，并由重点火准则导出了预测胞格尺寸的计算公式。 v a s i l e v 等人”研究了乙炔一氧气混合气体爆轰波在突变截面扁管中的传播 过程，图1 2 是在临界条件下所得到的传播记录。他们认为对于临界和超临界爆 轰，存在两个过程：首先气体爆轰波的在稀疏波作用下产生绕射，激波和火焰面 分离，诱导区变长，胞格结构消失，即图1 ，2 中i 区，然后在i i i 区由于准自持的 爆轰波通过已被r 。次激波压缩后的气体层，在其中形成超驱动爆轰，并逐渐衰减 第一章绪论 成稳定爆轰。他们还对 川转角线性扩张管内爆 轰的传播进行了数值模 拟，结果表明，由于入射 爆轰波与扩张管壁面发 生了马赫反射，在壁面首 先形成了超驱动的爆轰 波，产生横波，而管道中 心附近的诱导区加大，但 诱导区巾气体已经过激 幽i 2 临界条件下平面爆轰波经过突变截面时传播记录1 波一次压缩，在壁面形成 ( 6 枷z + 2 5 如) 的横波作用下，突然出现多个热点，继续形成新的横波，短时间内横波数有较入 增加，从而形成整体的超驱动爆轰，再逐渐衰减成稳定爆轰。 孙宇峰等人”1 运用二阶精度频散控制耗散格式和基元反应模型，对轴对称变 截面管道中氢氧爆轰波传播进行了数值模拟。结果表明，爆轰波传播至突变截面 扩张管道时，由于稀疏波的作用可能会使爆轰波局部熄爆甚至完全熄爆，对于某 些敏感度高的反应气体，爆轰波可以二次起爆，而在渐变截面扩张管道中爆轰波 相对不易熄爆。 沈伟等人”33 数值计算了甲烷一空气爆轰波在二维突扩通道中的传播过程，结 构表明：爆轰波在进入突扩通道的初始阶段有局部向爆燃转变的现象；爆炸在壁 面发生马赫反射形成的高温高压区域将直接驱动自持爆轰波的重新形成。 如果管道中存在一个障碍物，可以把问题看成是一个特殊的变截面管，这方 面的研究主要包括圆管中的内圆环障碍物、矩形截面管中的柱形和楔形障碍，内 圆环障碍在前面的d d t 过程研究现状中已经有了介绍，下面介绍方管中障碍物的 研究情况。 b r o w n 等人。通过纹影照片和烟迹图研究了矩形截面管中存在一柱形障碍物 情况下可燃混合气体中激波的绕射、反射点火以及向爆轰转变的过程，并把实验 得到的爆轰波胞格尺寸和利用化学反应动力学预测的进行了比较。图1 3 a 、b 分 别是他们所得到的纹影照片和烟迹图，反射激波在与上壁面作用后，再次反射的 弯管中气体爆轰波传播 t 陛蚜究 激波会赶上向下游传播的绕射激波+ 并引发超驱动爆轰，形成向下游传播的爆轰 波。 b 炳逊l 芏f 幽l3 可燃气体激波的绕射、反射点火以及向爆轰转变的过稃。 ( c h + 3 0 ，1 2 a r ，m s = 3 2 ，p = 00 5 2 a t m ) o h y a g i 等人= ”3 研究了管道中放置梯形块的气体爆轰波绕射现象，图1 4 是 他们所得到在氢氧当量比无稀释剂条件下的纹影照片。实验研究发现，当预混气 初始压力高于临界压力时，入射爆轰波没有发生熄灭，而是平稳地向管道下游传 播，但是在靠近梯形块拐角处出现无胞格区，无胞格区和胞格区的边界很清晰。 当初始压力低于临界压力时，梯形块后方出现爆轰波暂时熄火，爆轰胞格消失， 之后在管道底端下游某一位置出现个崩形区向顶部延伸。这个扇形区内爆轰胞 格很小，随着爆轰波向顶端传播，施格逐渐增大。尽管与两侧管壁发，e 反射，赵 第一章绪论 驱动爆轰会衰减为c j 爆轰，胞格区和无胞格区的清晰边界是驱动爆炸波与燃烧 波的相交线。燃烧波是作为入射波传播的。随着初始压力的减小，重新引发爆轰 的位置与梯形块之间的距离增加。当初始压力进一步减小，梯形块后方气体爆轰 波不能发生重新引爆而完全熄灭。 图1 4 爆轰波梯形块的绕射”5 ( 2 n + 吼，p o = 2 6 7 k p a ) 12 3 气体爆轰波在弯管道中传播的研究现状 e d w a r d s 等人“7 1 利用烟迹技术初步分析了气体爆轰波在9 0 0 圆弧形弯管中爆 轰波绕射过程。实验管道内径1 5 m r n ，使用了管道轴线的曲率半径为r = 2 9 5 m m 和 r - 4 0 5 m m 两种方截面弯管道，在不同的初始压力下，从爆轰波的胞格结构烟迹图 和测得的压力，分析得出的结论是：当爆轰波通过9 0 0 圆弧形弯管时，产生了爆 轰波局部熄灭和再现，是波阵面上的横波、弯管道膨胀侧( 即凸壁处) 产生的稀 疏波、和弯管道压缩侧( 即凹壁处) 的反射波、马赫杆之间的一系列复杂的相互 弯管中气体爆轰波传播特陆研究 作用的结果。这一系列相互作用还导致弯管道内局部压力的震荡变化，范围为 05 p 。i p 2 5 p 。而弯管道中受最大载荷的区域则依赖于弯管道的) 4 - j 和进入弯 管道前的初始横波间隔，即依赖于起爆前激波管内混合气的初始压力、组分和化 学性质。同时他们定性分析了弯管曲率半径对爆轰波传播的影响。 t h o m a s 等人。研究了气体爆轰波与弯管的相互作用，在内径1 5 t r u n 的圆激波 管中安装- - 1 5 x 6 m m 矩形截面的9 0 0 圆弧形弯管，记录了不同初始压力下的烟迹， 如图1 5 n 示，从而观察到气体爆轰波在弯管中传播过程，分析得出了初压和弯 图1 5 爆轰波9 0 。弯管传播烟迹图” ( c 2 i ! + 2 5 仉，爆轰波从左向右传播，b 中2 处在c 中放大) 管曲率半径对爆轰波传播的影响：初压越小，爆轰波易熄灭，弯管曲率半径越小， 胞格变大的区域越大。 胡宗民等人“。利用频散可控格式和基元反应模型计算了氢气一氧气一氩气混 合气体爆轰波在9 0 0 圆弧形弯管中的传播过程，计算表明爆轰波在弯管内传播过 程中在凸壁面附近出现的局部熄爆传播特性与弯管的曲率半径有关，曲率半径越 小，稀疏波的作用越强，熄爆越严重，在爆轰波沿凹壁面的马赫反射作用下，熄 1 0 第一章绪论 爆区可能发生二次起爆，二次起爆后作用在壁面上的压力很高，对管道的破坏作 用更强，而凹壁面则发生了马赫反射与正规反射之问的相互转变。 夏昌敬“实验研究可燃气体稳定爆轰波在弯管中变化规律。研究结果表明： 稳定爆轰波通过弯管时，由于在弯管中受到凸壁侧产生的稀疏波与凹壁侧马赫杆 和反射波的相互作用，经历了爆轰波衰减、部分熄灭、重新引爆和恢复稳定四个 过程。稳定爆轰波在矩形截面圆弧形弯管中传播时受预混气初始压力和弯管曲率 半径的影响很大。弯管曲率半径越大，爆轰波在弯管中受到凸壁侧稀疏波的影响 越小，爆轰波越容易通过弯管继续传播，稳定爆轰完全恢复所需要的距离越小。 预混气体初始压力越小，稳定爆轰波完全恢复所需要的距离越大。实验发现在所 观察的区域内，当预混气初始压力小于菜一值，弯管中便不能重新引发爆轰，办 不能完全恢复稳定爆轰波。他还理论分析了稳定爆轰波在弯管中的传播过程，得 到了计算弯管中稀疏波头和三波点发生相互作用的极限角和弯管中心重新引发 爆轰位置的公式。 1 2 ，4 气体爆轰波胞格结构的研究现状 通常的气体爆轰波具有明显的复杂结构，即胞格结构( c e l l u l a rs t r u c t u r e ) 在气体爆轰波传播过后，表现为不断重复的类似菱形图案，即胞格( c e l l ) 。在每 个单独胞格中相邻横波在胞格的起点发生碰撞，形成最大的爆轰压力和爆轰速 度，当爆轰波沿着胞格对称轴传播时，爆轰压力和爆轰速度不断下降，在胞格的 终点爆轰压力和爆轰速度达到最小值。横波的互相碰撞使爆轰压力和爆轰速度产 生阶跃。然后重复上述的动力学过程。胞格是一个研究气体爆轰波的重要理论， 对此已经有较多的研究“。 s t r e h l o w 等人“。”较早总结了胞格结构的许多规律：气体成分和胞格结构的 规则性等关系，气体初始压力和胞格模数之间的关系，胞格尺寸和诱导区厚度之 间的关系以及沿胞格轴线的速度变化等。 k u m a r “”实验研究了氢气一氧气一氩气混合气体的爆轰波胞格宽度与初始压 力、初始温度和氢气浓度的关系。结果表明，初始温度对爆轰波胞格宽度影响不 明显，而且给出了氢气一氧气一氨气混合气体爆轰波胞格宽度的经验公式：a 。4 3 l ， 其中a 为胞格宽度，l 为诱导区厚度。 弯管中气体爆轰波传播特性研究 h a n a n a 等人“实验测定了氢气一氧气一氩气混合气体爆轰波胞格结构中的压 力变化，并通过压力变化分析胞格的形成过程，描述了独立胞格的3 维结构。 t a r v e r “7 利用非平衡态z n d 模型数值模拟了气体爆轰波胞格结构中的化学能 量释放。利用定常横波强度和瞬侧壁面反射模型对氢气氧气和氢气一氯气的普通 爆轰的理论计算结果符合实验，计算表明前驱激波的自持传播所需的能量3 4 由 内能和动能释放所提供，而另外1 4 由横波在碰撞过程提供。利用衰减横波强度 初胞格终念时入射波后预压缩点火模型，对氢气一氧气_ 氩气临界爆轰自持传播过 程的计算结果也与实验符合。 刘云峰等人“1 用有限谱e n o 格式对稀释的化学当量e b 氢氧混合气体中非定常 自持爆轰波进行了二维数值模拟，研究了爆轰波的产生和演化机理，分析了爆轰 波的i 波结构，计算得到了爆轰波结构、三波点的特征个数、胞格尺寸、和爆轰 波传播速度。 1 3 本文研究内容简介 奉文研究了氢气一氧气一氩气混合气体爆轰波通过矩形截面管中直角弯道时 的传播特性，利用烟迹技术记录气体爆轰波的胞格结构，对其中涉及的爆轰波绕 射现象进行分析，进一步建立爆轰波尖角绕射模型，并对平面稳定爆轰波绕射时 胞格发生畸变区域进行了理论计算。同时研究了氢气一氧气一氩气体爆轰波绕射入 分支管后爆轰波的恢复稳定过程，清晰记录了分支管中重复和可控制的超驱动爆 轰图像。爆轰波绕射进入分支管后，首先出现了胞格结构的消失，然后出现一个 类似爆燃转爆轰( d d t ) 过程中超驱动爆轰的极细密胞格区域，再经过一段距离后 爆轰波恢复稳定。本文对这个超驱动爆轰过程进行了定性分析，为研究d d t 过程 提供了新的较为简便的途径； 最后本文对丙烷一空气一氧气混合气体爆轰( 爆燃) 波通过圆弧形弯管前后的 火焰加速行为进行了实验测量，表明圆弧形弯管对火焰的加速作用是明显的，并 对弯管内波系作用的理论模型作出了修正。 第二章爆轰基本理论 第二章爆轰基本理论”。3 1 一般可燃物质的燃烧方式有两种：爆燃和爆轰。爆燃是指已燃物质通过热传 导、扩散和辐射的方式使未反应的含能物质达到燃点，并开始化学反应的过程。 而爆轰是在激波的作用下，含能物质被强烈地冲击压缩，在波阵面上的含能物质 温度迅速提高，从而引发高速率化学反应，反应释放出的能量又用来支持波阵面 运动。在一定条件下，爆燃可以转变为爆轰，而爆轰也可衰减为爆燃甚至熄灭。 2 1c j 理论 最早研究爆轰的理论是c h a p m a n ( 1 8 9 9 ) 和j o u g u e t ( 1 9 0 5 ) 分别提出的，他们作 了一个简单而令人信服的解释，假定化学反应是瞬时完成的，换言之，假定有一 个轮廓明显的阵面，它扫过未燃气体并使之瞬时变为已燃气体，在薄层内迅速完 成可燃气体转变成为燃烧产物的过程，因此可将爆轰波和爆燃波简化为一个包含 化学反应区的强间断面。显然，穿越这样一个阵面的间断，类似于穿越冲击波阵 面时气体由未压缩状态到受压缩状态的问断。与冲击波间断的差别仅在于已燃气 体与未燃气体的化学性质不同，并且化学反应影响能量平衡。这一简化使我们不 必考虑化学反应的详细过程，化学反应的效果用一个外加的能源项反应到间断面 关系中，从而使复杂的化学流体力学问题变得简单。这种近似对爆轰过程是可以 接受的，但对燃烧过程不大符合，燃烧过程一般收到管壁产生的粘性边界层的强 烈影响，它还显著地依赖于重力，并且产生的流动常常是湍流，尽管如此，在上 述假定基础上对总的性质仍得到了重要认识。 c j 理论假定如下： 1 整个流动是一维的； 2 平面爆轰波( 爆燃波) 波阵面处理为一跃变间断面，化学反应在其中瞬时完成， 由问断流出的物质假设处于热化学平衡，因而可以用热力学状态方程来描述： 3 跃变间断是定常的( 不依赖于时间) ，定常是指流入波阵面的物质状态以及刚 刚流出波阵面的物质状态是定常的，而这点以后的流动可依赖于时间。 弯管中气体爆轰波传播特性研究 c j 理论将爆轰波和爆燃波处 理成包含化学反应的强间断，因此， 爆轰( 爆燃) 波与激波关系式有很多 相似之处。由于假定了跃变间断的 传播速度是定常的，在跃变间断上 建立惯性坐标系可以使问题的研究 更加简洁。基于以上基本假定，推 导出守恒方程，设爆轰波速度为d ， ( 0 ) 区表示未反应区，( 1 ) 区表示产 ( 1 ) 区( 0 ) 区 l ui i du ( ) 图2 1c j 理论模型 物区紧靠波阵面那一点，即反应终态，控制面的取法如图2 1 所示。 1 质量守恒方程： 单位时间流入控制体的质量p 。( d u o ) a s t 应等于单位时间流出控制体的质 量p ( d u ) a 6 t ，可得质量守恒方程： p 。( d u 。) = p ( d u ) ( 2 1 ) 其中p 表示密度，u 为质点的绝对速度，a 为一维管流的截面积，6 t 为单位时间， 下标0 表示( 0 ) 区参量，未标注下标的参量( d 除外) 为( 1 ) 区参量，以下方程各物理 量同此表示。方程( 2 1 ) 表示质量流密度p ( d u ) 相等，。 2 动量守恒方程： 单位时间流入控制体的为动量p o ( d ho ) 2 a s t ，单位时间流出控制体的动量 为p ( d u ) 2 a g t ，则由单位时间内动量变化应等于截面积a 上的作用力，可得动 量守恒方程： p ( d u ) 2 一p o ( d u o ) 2 = p o p ( 2 2 ) 考虑质量守恒方程( 2 1 ) 式，( 2 2 ) 式可变形为： p o p = p o ( d u 0 ) ( u 一1 1 0 ) ( 2 3 ) 其中p 表示压强。( 2 2 ) 式表明，动量流密度p ( d u ) 2 加上作用于流体上的力是 小变量。 筇二章爆轰基本理论 3 能量守恒方程： 根据动能定理，啦位时间控制体内流体能量( 内能加动能) 的变化等于外界对 其做功，即： p 0 ( 。) a 6 te - e o + 学一坠竽i = p o ( d - u o ) - p ( d - u ) 婶t ( 24 ) 其中e 为单位质量或单位摩尔内能，对上式进行适当变形，可得能量寸：恒方程： e e o = 妄( p o + p ) ( v o v ) ( 2 5 ) 其中v = l i p 表示比容，( 2 5 ) 在形式上看与流体动力学中的t f 激波关系是完全一 样的，但由于在爆轰波( 爆燃波) 波阵面内发生了化学反应，爆轰波( 爆燃波) 前的 末燃物质和波后的已燃物质有不同成分，内能e 不仅仅与压力p 和比容v 有关，i 司 刚还与反映成分变化的化学反应进度有关，因为化学反应进度直接确定了系统内 所贮存的反应能释放量。引入化学反应度九描述化学反应进度： 对未燃物质，即化学反应的反应物，有九= 0 ； 对己完全燃烧的物质，即化学反应的反应物或产物，有九= l 。 则函数e 应表示为e = e ( p ，v ，九) ，c - j 模型中，能量守恒关系只涉及强间断面 两侧物质的能量关系，即九= 0 和九= 1 两状态，与0 九 1 时的行为无关。以e ( x ) 表示单位质量或单位摩尔的化学反应能，则e ( x ) 可表示成： e ( 九) = ( 1 一) q q 单位质量或单位摩尔总内能e 为 e ( p ，v ，九) = e ( p ，v ) + e ( 九) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中q 为单位质量或单位摩尔的化学反应热。反应能e ( 九) 将随化学反应的进展而 减，j 、：当九= 0 时，e ( 九) = e ( 0 ) = q ：当九= i 时，e ( x ) = e ( 1 ) = 0 a 在化学反应进行过程中某一个中间状态，释放的反应能为： q 。= q e ( 九) = q 一( 1 一x ) q = 九q ( 2 8 ) 对( 0 ) 区反应物，九= 0 ，单位质量或单位摩尔总内能e 。为 e 。( p o ，v o ，九= o ) = e o ( p o ，v o ) + e ( o ) = e o ( p o ，v o ) + q ，记为 弯管中气体爆轰波传播特性研究 ( 2 9 ) 对( 1 ) 区产物，九= l ，e 为：z ( p ，v ，九= 1 ) = e ( p ，v ) + e ( 1 ) = e ( p ，v ) ，记为： e = e( 2 1 0 ) 将( 2 9 ) 式和( 2 1 0 ) 式代入( 2 5 ) 式，得： 1 e - e o = ( p o + p ) ( v o v ) + q ( 2 1 1 ) ( 2 1 1 ) 式称为爆轰波的雨贡尼奥( h u g o n i o t ) 关系，从形式上看与激波h u g o n i o t 关系是一样的，只是多出右边的一项化学反应热q 。( 2 1 1 ) 式是由能量守恒方程 ( 2 5 ) 式演化而来的。它完全可以代管( 2 5 ) 式，成为三个守恒方程之一。在由 ( 2 f ) ，( 2 3 ) 和( 2 “) 式构成的方程组中，若以( 0 ) 区为已知参量，( 1 ) 区为未知 参量，则该方程组涉及到五个未知参量p ，v ( p ) ，e ，u ，d ，是无法求解析解的，因此， 尚需补充二个方程爿1 能求解，其一为( 1 ) 区产物的状态方程： e = e l o ，v ) ( 2 1 2 ) 其二是c h a p m a n 和j o u g u e t 提出的著名假设，称为c j 假设或c j 条件，即为了维持 爆轰波的稳定自持传播，产物应满足如下条件： d u ：c( 2 1 3 ) 其中c 为( 1 ) 区的声速，c j 条件( 2 1 3 ) 式是j o u g u e t 提出的关于爆轰与爆燃过程中 流场流动8 条规则之一。c - j 条件的物理意义在于，它阐述了c j 爆轰波之所以能 稳定自持地在介质中传播，除了化学反应能释放出来后，恰好能提供波阵面向前 运动的能量，而且还要求波后产物中的扰动不传播到波阵面上去。如果d u c ， 那么产物中的稀疏波或压缩波就可能追赶上爆轰波阵面，从而削弱或加强其强 度，导致爆轰波不再能够稳定传播。 妇j o u g u e t 规则，强爆轰波将满足条件d u c ， 因此，强爆轰是不稳定的。由于我们现在讨论的是满足稳定传播的爆轰波，故它 必然要满足c - j 条件。 至此，我们获得了由( 2 1 ) ，( 2 3 ) ，( 2 1 1 ) ，( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 五个方程构成的 封闭方程组，即： 第二章爆轰基本理论 p o ( d u o ) = p ( d t 1 ) p o p = p o ( d u o ) ( u u o ) 三( po + p ) ( v o v ) + q e = e ( p ，v ) d u = c 用方程组( 一) 就可以计算c j 爆轰波的波阵面参数。 2 2 爆燃与爆轰的分类 p 图2 2 爆燃与爆轰的分类 ( 2 1 ) ( 2 3 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) 我们利用( 2 1 ) 和( 2 3 ) 式可以得到： p p 。：一掣( v v 。) ( 2 j 4 ) v 0 上式在p - v 平面是一条通过点( p 。，v 。) 的直线，其斜率k = 一兰二 上，依赖于波 f n 一、 v 0 速d ，这条直线称为瑞利( r a y l e i g h ) 线。将r a y l e i g h 线和爆轰波的终态l t u g o n j o t 曲线作在同pv 平面上，如图2 2 所示。我们把h u g o n i o t 曲线相切的那条 弯管中气体爆轰波传播特性研究 r a y l e i g h 线所代表的波速称为c j 爆速，记为d c j ，切点称为c j 点。在化学反应热 确定后，终态曲线也是确定的，同时也可找到相应的c j 点。由( 2 1 4 ) 式得出： 旦丑：塑二型： o ， v v ov ； 可知p p 。与v v 。异号，即压力和密度必须同时增或减，波后压力和密度必须 同时增是爆轰的特性，波后压力和密度必须同时减是爆燃的特性。因此，图2 2 中i i 区为爆轰区，i v 区为爆燃区，i 、i i i 两区不满足守恒定律。所p h h u g o n i o t 曲线在i 区中的a b 段没有物理意义，图2 2 上未作出。过( p 。，v 。) 点作两条r u y le i g h 线与h u g o n i o t 曲线的相切，切点e 为c j 爆轰点，切点h 为c j 爆燃点。这样h u g o n i o t 曲线上各段具有的物理意义如下： d e 段：强爆轰段： e 点：c - j 爆轰； e 段：弱爆轰段； i j h 段：弱爆燃； l 点：c - j 爆燃； 1 1 ( 般：强爆燃。 2 3j o u g u e i 规则 j o u g u e t 给出了八条图2 2 中各段所代表化学反应阵面的六种瀑轰和爆燃流 动的规律称为j o u g u e t 规则： 对于这六种波，波后的流动规律如下： 1 波后相对于强爆轰是亚声速的； 2 波后相对于c j 爆轰是声速的： 3 波后相对于弱爆轰是超声速的； 4 波后相对于强爆燃是超声速的； 5 波后相对于c - 7 爆燃是声速的： 6 波后相对于弱爆燃是亚声速的： 波前的流动规律如下： 7 波前相划于爆轰波是超声速的； 第二章爆轰基本理论 8 波前相