（工程力学专业论文）爆轰波的稳定性研究.pdf

摘要 本文研究了声学吸收壁对气体爆轰波传播特性的影响，包括爆轰波在声学 吸收段内的衰减和声学吸收段下游的再恢复两个部分。实验结果显示，当实验气 体的初始压力小于某一临界初压时，稳定的气体爆轰波在声学吸收段内发生了衰 减，表现为速度大幅度降低和丧失三波结构：并且在退出声学吸收段后又发生了 爆轰波的再恢复现象，再恢复过程中产生了超驱爆轰，其强度大于同等实验条件 下的稳定爆轰。 首先研究了爆轰波在声学吸收段内的衰减现象。通过胞格结构的研究，本 文阐述了衰减机理，对衰减过程的细节作了分析，包括爆轰波结构变化的过程和 横波与声学吸收壁作用的过程。本文证实了声学吸收壁对横波的吸收作用是引发 爆轰波衰减的原因，横波的消失或强度降低造成了爆轰波再加强过程的变化，最 终使其失去三波结构，发生衰减，速度下降为稳定爆速的o 4 5 o 6 倍。声学吸 收壁的衰减效果应该以临界初压作为的评判标准，本文研究了不同长度和厚度的 声学吸收壁对临界初压的影响，探索了提高临界初压的途径。 接下来研究了爆轰波在声学吸收段下游发生的再恢复过程。爆轰波再恢复 过程是与火焰加速过程中的燃烧转爆轰阶段( d d t 过程) 相类似的，因此对这 一过程的研究在理论上深化了人们对d d t 过程的认识。本文建立了恢复段内加 速传播火焰的理论模型，即将其考虑成一个前驱冲击波伴随一个爆燃波组成，并 应用此模型解释了恢复段内火焰加速和超驱爆轰形成的机理。 关健词：气体爆轰波，声学吸收壁，衰减，再恢复，胞格结构，超驱爆轰。 a b s t r a c t t h ep a p e rp r e s e n t sa ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nt h a ts t u d y t h ei n f l u e n c eo ft h e a c o u s t i ca b s o r b i n gw a l lo nt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg a s e o u sd e t o n a t i o n s ， w h i c hi n v o l v e dt w op a r t s ，t h ea t t e n u a t i o no fd e t o n a t i o ni nt h ea c o u s t i ca b s o r b i n g w a l l e ds e c t i o na n dt h er e i n t e n t i o n o fd e t o n a t i o nd o w n s t r e a mo ft 1 1 宅a c o u s t i c a b s o r b i n gw a l l e ds e c t i o n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ee x i s t sr e m a r k a b l e a t t e n u a t i o no fd e t o n a t i o nw h e nt h ei n i t i a lp r e s s u r eo fg a sm i x t u r ei sl e s st h a ns o m e c r i t i c a li n i t i a lp r e s s u r e n 坨p h e n o m e n ao fd e t o n a t i o na t t e n u a t i o na r ea sf o l l o w s ：t h e w a v ev e l o c i t ys u b j e c t st or e m a r k a b l ed e s c e n ta n dt h ec e l l u l a rs t r u c t u r ed i s a p p e a r s f o l l o w i n gt h ea t t e n u a t i o n t h er e - i n t e n s i o no f d e t o n a t i o nt a k ep l a c ed o w n s t r e a mo f t h e a c o u s t i ca b s o r b i n gw a l l e ds e c t i o n ，a n da no v e r d r i v e nd e t o n a t i o nd e v e i o p si nt h i s p e r i o d ，t h es t r e n g t h o f w h i c hi sh i g h e rt h a nt h a to f t h es t a b l ed e t o n a t i o n f i r s t l y , t h ea t t e n u a t i o no f d e t o n a t i o ni nt h ea c o u s t i ca b s o r b i n gw a l l e ds e c t i o ni s s t u d i e di nt h i s p a p e na c c o r d i n g t ot h es m o k e df o i l r e c o r d s ，w ea n a l y z e t h e m e c h a n i s mo ft i l ed e t o n a t i o na t t e n u a t i o n , a n dt h ed e t a l io ft h ee v a l u a t i o n i ti s c o n f i r m e dt h a tt h ea t t e n u a t i o no ft r a n s v e r s ew a v eb ya c o u s t i ca b s o r b i n gw a l ll e a dt o t 1 1 ea t t e n u a t i o no fd e t o n a t i o nw a v e t h ed i s a p p e a r a n c eo ft r a n s v e r s ew a v eo rt h e s t r e n g t hd r o pc h a n g et h er e s u e n g t h e np r o c e s sw h i c hs u s t a i n st h ep r o p a g a t i o no f a d e t o n a t i o nw a v e a n df i n a l l y1 c a dt ot h e1 0 s eo ft h et r i p l es t r u c t u r ea n dt h ea t t e n u a t i o n o fd e t o n a t i o n w h i c hb r i n gf o r t ha na b r u p td e s c e n to fw a v ev e l o c i t yt oo 4 5 0 6 5 d c j n 坨c d t i c a li n i t i a lp r e s s u r es h o u l db et h es t a n d a r do f 也ea t t e n u a t i o ne f f e c to f 也e a c o u s t i ca b s o r b i n gw a l l s o t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el e n g t h & t h i c k n e s so f a c o u s t i ca b s o r b i n gw a l la n dc r i t i c a li n i t i a lp r e s s u r ea r es t u d i e d ，a n dt h ew a y st o i n c r e a s et h ec r i t i c a li n i t i a lp r e s s u r ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h er e i n t e n s i o no f d e t o n a t i o nd o w n s t r e a mo ft h ea c o u s t i ca b s o r b i n g w a l l e ds e c t i o ni ss t u d yi nt h i sp a p e r 1 1 l er e i n t e n s i o np r o c e s so fd e t o n a t i o ni st h e s a m ea sd e f l a g r a t i o nt od e t o n a t i o n ( d d t ) p r o c e s si nc h a r a c t e r i s t i e s ；s o ，b ys t u d y i n gi t w ec a n d e e p e nt h ek n o w l e d g eo f d d t p r o c e s s n ep a p e rd e v e l o p sam o d e lo f t h e a c c e l e r a t i n gf l a m ed o w n s t r e a mo f t h ea c o u s t i ca b s o r b i n gw a l l e ds e c t i o n 。b a s e do n w h i c ht h em e c h a n i s mo f t h ef l a m ea c c e l e r a t i o na n d 血eo n s e to f o v e r d r i v e nd e t o n a t i o n i nt h er e i n t e n s i o ns e c t i o na r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：g a s e o u sd e t o n a t i o n ，a c o u s t i ca b s o r b i n gw a l l ，a t t e n u a t i o n ，r e - i n t e n t i o n ， c e l l u l a rs t r u c t u r e ，o v e r a r i v e nd e t o n a t i o n 致谢 5 1 5 1 1 占 本论文是在周凯元教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、展开到 最后的定稿，都倾注了他大量的心血，作者表示由衷的感谢。在三年的学 习中，导师扎实深厚的理论知识，严谨求实的治学态度，精益求精的敬业 精神，诲人不倦的良好风范，值得作者终生学习。授业解惑的同时，周老 师对学生生活和学习的诸多方面予以无微不至的关怀和照顾，在此表示深 深的谢意。 、 本文的顺利完成离不开力学与机械工程系老师和同学的帮助。在此感 谢沈兆武教授、王肖均教授、李宗芬教授、胡秀章教授和李永池教授和在 学业上的帮助。感谢课题组夏昌敬博士、王汉良硕士和叶剑飞硕士在实验 中给予的支持。 感谢父母的养育之恩，他们艰苦勤劳的精神，正直善良的品格，踏实 敬业的为人，是作者一生的榜样。 作者：年伟民 2 0 0 3 年5 月3 0 日 第一章绪论 爆轰学是一门介于流体力学、化学动力学和化学热力学之间的边缘学科。 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、熄爆和爆燃向爆轰转变等过程的机理和规律还远没有达到令人满意的 程度。随着工业的发展，又不断提出新的课题。大量发生的各类工业粉尘的爆炸 灾害，燃料泄露后形成的气雾造成的爆炸灾害，火灾中夹杂着的爆炸现象等等问 题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。此外，爆轰的研究工作由大量具体的到一般的，由 定性的到定量的，由实验的到理论的，由理想的到非理想的，仍然存在很长的一 段过程。 本论文针对目前工业生产和理论研究在气体爆轰领域所关心的若干问题作 了实验研究，包括爆轰波的衰减和爆燃转爆轰两个方面，在本章作如下概述。 1 1 爆轰波在声学吸收段的衰减研究 在工业生产中，凡涉及到可燃气体的爆炸环境时，出于安全的考虑，我们 希望不产生爆燃或爆轰，或者当爆燃或爆轰发生时尽可能地衰减其强度甚至使其 发生淬熄，避免工业灾害的发展。但爆轰波强度的衰减往往是比较困难的。工业 上现行的比较成熟的抑爆技术往往只对爆燃火焰和速度较低的非稳定爆轰有效， 然而对于强度较高的c j 爆轰和强爆轰，这些抑爆技术就要受到许多实际情况 的限制，而显得束手无策。 例如，在输送易燃易爆物质的管道建立一系列的抑爆剂喷射装置，通过电 子控制的高灵敏度阀门与管道相通。一旦在某处发生爆轰，其上游和下游的阀门 随即开启，抑爆剂喷入管道，抑制爆炸的蔓延。对于传播速度较低的火焰来说， 抑爆剂可以采用惰性粉末或水雾，通过物理机制消除火焰的能量。也可以采用粉 末状的有机酸盐、碳酸盐和碳酸氢盐一类的化学物质( 如单氨磷酸盐) ，它们能 消耗火焰的能量，发生发应产生二氧化碳。而后者是一种耐用又有效的抑爆物质。 对于爆轰这样的高速传播过程，如果依然采用上述技术则要求灵敏度更高的阀门 和更加有效的抑爆剂。目前，即使技术上能满足要求，其成本的昂贵也是大多数 企业望而却步。 ， 又如，工业上，在输送可燃气体的一维管道中安装工业阻火器阻止可能产 生的爆燃或爆轰火焰 2 - 5 。按照我国的国家标准，管道阻火器分为阻爆燃型和阻 爆轰型，能够阻止亚声速火焰传播的阻火器称为阻爆燃型管道阻火器( f 1 锄e a r r e s t e r s ) ；能够阻止超声速火焰传播的称为阻爆轰型管道阻火器( d e t o n a t i o n a r r e s t e r s ) ，简称为阻爆轰器，或阻爆器。阻火器和阻爆器的工作原理是一样的， 即火焰通过狭小通道的淬熄作用，但是爆轰火焰的淬熄难度要大得多。一般来说， 爆轰波通过波纹板阻火器后，要使爆轰火焰产生淬熄，波纹板的三角形波纹高度 即淬熄直径d 。要足够小，三角形截面狭小通道长度l q 必须足够大。这些在工业 上往往事不能够被接受的。因为过小d q 和过大的l q 会导致气流通过工业阻火器 时产生过大的流阻而不能使用。同时，过小的空隙也极容易被气流中微小的杂质 所堵塞。因此对于阻爆器而言，除了采用较小d 。的和较大的l q 的波纹板阻火芯 以外，还必须采取其它措施尽可能衰减进入阻爆器波纹板阻火芯之间的爆轰波强 度。 因此，我们需要另辟蹊径，为解决目前抑爆、熄爆技术中存在的问题提供 新的方法。 英国e l m a c 公司 的一种阻爆器 ( f t r i 1 0 ，1 5 x ， f t r 2 1 1 ) 利用了声学 吸收壁对爆轰波的衰 f l 。、v 减原理，图1 1 是这种 阻火器的的原型机。可 能产生的爆轰波沿管 线自左向右首先进入 一个扩张腔，强度受到 一定的减弱，紧接着传 入由多孔钢板内衬多 层金属网构成的声学 p e r f o r a t e dt u b e 图1 1e l m a c 阻爆器示意图 f i g 1 1s c h e m e o f e l m a cd e t o n a t i o na r r e s t e r 吸收段，使爆轰波遭受进一步地衰减。这样，在声学吸收段的出口端可能得到一 个快速运动的爆燃火焰。 众所周知，爆轰波所以能够自持稳定地传播是由于横波的产生和维持i 们。于 是消除横波，破坏爆轰波自持传播的机制就成为探索抑制爆轰的另一条思路。另 外，通过消除横波而衰减爆轰波，对于研究爆轰波的性质，爆轰波波阵面结构， 横波对支持爆轰波稳定自持传播的作用，同样有着重要的理论意义。本论文对横 波与声学吸收壁碰撞，发生衰减的过程，以及由此引起的爆轰波的衰减过程作了 深入的实验观测和理论分析。实验研究了不同长度和厚度的声学吸收材料对爆轰 波衰减效果的影响。 1 2 爆轰波再恢复过程的研究 2 一般含能物质的燃烧方式有两种，爆燃( d e f l a g r a t i o n ) 和爆轰( d e t o n a t i o n ) 。 爆燃是指已燃气体通过热传导、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。爆轰是在冲击波的作用下，含能物质被强烈地冲击 压缩，在波阵面上，温度迅速提高，从而引发化学反应放出的能量支持波阵面运 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。一 般认为，从可燃混合气体被点火到爆轰形成共经历四个阶段r 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；爆燃转爆轰阶段( 又称作d d t 阶段) 。实验发现，在d d t 阶段会产生超驱爆轰( 超压爆轰) 。 研究、掌握和运用可燃气体的燃烧转爆轰的规律，是解决安全与引爆问题 的重要途径之一，它一直受到此领域内的理论与实验工作者的广泛关注。在利用 可燃气体燃烧性质的过程中，或在发生燃烧事故的初期，安全起见，需要避免爆 燃向爆轰转变的破坏效应；而在引爆过程中( 如d d t 雷管的研制) 却又希望它 稳定地由爆燃转变成爆轰。尽管国内外对直管道中可燃气体的引爆问题进行广泛 的研究，取得了显著的成果阻1 6 i ，但是有许多问题尚未得到理论上的明确解释， 例如，爆燃向爆轰转变过程以及其中的超驱动爆轰问题。这主要是由于超驱爆轰 发生的随机性和复杂性给实验研究带来了很大的困难，使得人们很难在固定位 置，利用各种实验手段( 如测压、测速、高速摄影) 对其进行捕捉，取得各种实 验数据。 我们在进行d d t 的研究中，采用了不同于以往的方法。首先利用声学吸收 壁将爆轰波衰减，使其丧失三波结构，得到了一个快速运动的火焰，火焰在退出 声学吸收段后加速传播，并在声学吸收段下游某一位置产生超驱爆轰。火焰加速 传播直到形成超驱爆轰的过程称为爆轰波的再恢复过程，其类似于d d t 过程。 我们在一定的实验条件下观察到了爆轰波的再恢复过程，用烟迹图捕捉到了超驱 爆轰的发生，获得了一定条件下可以重复和控制的超驱爆轰。论文对爆轰波的恢 复过程中火焰加速和超驱爆轰形成的机制作了定性的分析，加深了对d d t 过程 的认识。 3 第二章基本理论 2 1 爆轰和爆轰波 爆轰是在可燃介质中激烈地而且迅速传播的种燃烧形式，这些介质包括 气态、固态和液态的。爆轰在介质中的传播速度相对于未燃介质是超声速的。这 是爆轰区别与其它燃烧形式的最显著的特征。因此，我们用这一特征来定义爆轰， 即：相对于未燃介质以超声速传播的激烈燃烧形式称为爆轰。以恒定速度稳定传 播的爆轰称为稳定爆轰；没有达到稳定速度的爆轰称为非稳定爆轰，其中，以高 于稳定爆速传播的爆轰称为强爆轰，又称超驱爆轰。与爆轰对应，我们把相对于 未燃介质以亚声速传播的燃烧称为爆燃。 爆轰波是指带有化学反应区的激波。在爆轰时，可燃介质受到前驱激波的 强烈冲击压缩，温度骤然升高，引起迅速的化学反应( 放热) ，其释放出的能量 通过波的形式供给激波对下一层可燃介质( 前方介质) 进行冲击压缩，使爆轰波 以稳定的速度自行维持传播。 将前驱激波连同其后紧跟的( 贴在一起的) 化学反应区看作是爆轰波的波 阵面，这是与定常流体动力学中激波阵面不同的。 一般来说，引导激波厚度约为1 0 5 m m 量级，反应区厚度为m i l l 量级。 2 2c j 理论 最早研究爆轰理论的是c h a p m a n ( 1 8 9 9 ) 和j o u q u e t ( 1 9 0 5 ) ，他们分别提出 了一个简单而令人信服的假定，认为化学反应在一薄层内迅速完成，将可燃气体 转变成为燃烧产物，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。这一间断面，对爆轰过程称为爆轰波，对爆燃过程称为爆燃波。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。这种近似对爆轰波 波后流体的状态符合较好，对于爆燃的情况就不大符合，但是仍然能够对它的一 些基本特性提供有用的解释。 c j 理论对一维平面爆轰波作了如下假定：1 流动是一维的；2 波阵面是 跃变间断，化学反应在其中迅速完成；3 波阵面传播是定常的。第二点假设旃 基本假设的最重要的部分，体现了c j 理论的基本思想。即将平面爆轰波视为 强间断，亦即等同于冲击波，而化学反应过程仅作为一个瞬时的能量释放面紧紧 贴在冲击波后，整个作为间断面来处理。从这个间断面流出的物质假设已经处于 热化学平衡态。因此，波后可以用热力学状态方程来描述。假设波阵面的传播速 4 度是恒定的，这样，坐标系可以作为惯 性系建立在波阵面上。所以，这里所谓 的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。 根据以上基本假定，下面推导出守 恒方程，设爆轰波速度为d ，0 区表示 未反应区，1 区表反应终态，控制面的 取法如图2 1 所示。 1 质量守恒方程为： p 0 ( d - - u o ) = p ( d u ) ( 1 ) 区( 0 ) 区 h 。 i 图2 ic j 理论模型 f i g 2 1t h em o d e l o f c - j t h e o r y ( 2 1 ) 其中p 表示密度，u 为质点的绝对速度，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。方程2 1 表示在一维流场中，质量流密度j d ( d 、u ) 处处相等。 2 动量守恒方程为： p ( d - - u ) 2 一po ( d - - u o ) 2 = p o p( 2 2 ) 考虑到( 2 1 ) 式，( 2 2 ) 式可变形为： p o p = p o ( d - - u o ) ( 1 l o u )( 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 是不变量。 3 能量守恒方程：根据动能定理，控制体内流体能量( 内能加动能) 的增 量等于外界对其做功，即： p o ( d 1 1 0 ) e e 。+ 了d - - u ) ：2 一垒芸量蔓l = p 0 ( d 1 1 0 ) 一p ( d u ) ( 2 4 ) l 二z j 其中e 表示单位质量或单位摩尔的内能，为了应用方便对方程2 4 进行适当变形， 将( 2 4 ) 式化简为： 1 e e 0 2 妄( p o + p ) ( 0 0 一u )( 2 5 ) ( 2 5 ) 式从形式上看与流体动力学中的激波关系是完全样的，但由于在爆轰波阵 面内存在化学反应，内能e 的含义是不同的。在激波关系中，e 仅代表分子热运 动的内能，它仅仅是热力学状态( 例如p ，u ) 的函数，即可写成e = e ( p ，d ) 在 爆轰波中，e 代表分子热运动内能与化学反应能两部分能量的总和。它不仅依赖 于状态p 、u ，还与化学反应进展的深度五 ( 简称化学反应度) 有关，因为化学 反应度直接确定了系统内所贮存的反应能的释放量。这里引进的反应度兄有以下 含义：当丑= 0 时，表示反应未开始进行的初态；旯一1 时，表示反应终态。在 c j 模型中，初态与终态是重合的，即从五= o 到 = 1 之间没有时间间隔。 若用e ( 五) 表示单位质量或单位摩尔的化学反应能( 以下叙述中为了简便，往往 省去单位质量或单位摩尔字样) ，则e ( 五) 可表示成： e ( 五) = ( 1 一旯) q ( 2 6 ) 其中q 是单位质量或单位摩尔的化学反应热。反应能e ( 2 ) 将随化学反应的进 展而减小。当a = 0 时，p ( 五) = e ( 0 ) = q ；当旯= 1 时，e ( 2 ) = e ( 1 ) = o ，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 ( 旯) = q - ( 1 一a ) q = a q ( 2 7 ) 单位质量( 或摩尔) 的总内能为： e ( p ，u ，a ) = e ( p ，d ) + e ( 兄) ( 2 8 ) 初态时，a = o ，总内能e o 为： e o ( p o ，t ) 0 ，五= o ) = e ( p o ，v o ) + e ( o ) 简记为：e o = e o + q ( 2 9 ) 终态时，a = 1 ，总内能e 为： e ( p ，u ，五= 1 ) = e ( p ，u ) + e ( 1 ) = e ( p ，u ) 简记为：e = e( 2 1 0 ) 将( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 代入( 2 5 ) ，得 1 e - - e o = ( p o + p ) ( u o u ) + q ( 2 1 1 ) z ( 2 1 1 ) 式称为爆轰波的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q 。( 2 1 1 ) 式是由能量守恒定律( 2 4 ) 演化而来的， 它完全可以代替( 2 4 ) 式，成为三个基本方程之一。在由( 2 1 ) ，( 2 3 ) 和( 2 1 1 ) 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 、p 、e 、u 、d ，是无法求解析解的，除非用实验方法事先测定 其中任一参量，例如d 和p ，因此，为了求解，尚需补充二个方程，其一为产物 的状态方程： e = e ( p ，u ) ( 2 1 2 ) 其二是c h a p m a n 和j o u q 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白持传播，产物( 指1 区) 应满足如下条件： d - - u = e ( 2 1 3 ) 其中c 为( 1 ) 区的声速，c - - j 条件( 2 1 3 ) j o u q 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。关于j o u q u e t 规则，将在本章后2 4 节中讲述。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，恰好能提供给波阵面向前运动的能量，而且还要求 波后产物中的扰动不能传播到波阵面上去。如果d - - u p 。时爆轰不发生衰减， 而当p o 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 1 21 41 61 82 02 22 4 2 62 b3 03 2 i n i u a lp r e s s u r e ( k p a ) 图4 5 声学吸收段( 1 5 c m2 层) 入口端和出口端火焰速度，实验介质是h 2 ： 0 2 ：a r - - - - - 2 ：l ：3 ，竖立虚线表示临界初压。 f i g 4 5i n f l u e n c eo f i n i t i a lp r e s s u r eo nt h ew a v ev e l o c i t yu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m o f t h ea c o u s t i ca b s o r b i n g s e c t i o n s ，1 5 c ml o n g2l a y e r s ，f o rt h eh 2 ：0 2 ：a r = 2 ：1 ：3 m i x t u r e s t h ev e r t i c a ld a s h e dl i n er e p r e s e n t st ot h ec r i t i c a li n i t i a lp r e s s u r e 8 0 。 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 一一bw a v ev e l o c i t yu p s t r e a m o bw a v e v e i o c i t yd o w n s t r e a m 。、一， 一 9 o o o o 。一。o o n i t i a lp r e s s u r e ( k p a ) 图4 6 声学吸收段( 2 0 c m 2 层) 入口端和出口端火焰速度，实验介质是h 2 ：0 2 ： a t = 2 ：1 ：3 ，竖立虚线表示临界初压。 f i g 4 6i n n u e n c co f i n i t i a lp r e s s u r eo nt h ew a v e v e l o c i t yu p s t r e a ma n d d o w n s t r e a mo f t h ea c o u s t i ca b s o r b i n gs e c t i o n s ，2 0 c ml o n g2 l a y e r s ，f o rt h eh 2 ：0 2 ：a t = 2 ：1 ：3 m i x t u r e s t h ev e r t i c a ld a s h e dl i n er e p r e s e n t s t ot h ec r i t i c a li n i t i a lp r e s s u r e 一s一jpo2， 一s，e一言。一o 体初始压力p o 的变化，如图4 3 4 6 。图中竖立的虚线把火焰速度图分为两个区， 其左侧为“衰减区”，虚线右侧为“未衰减区”。 由图4 3 4 6 可见，声学吸收段入口端的火焰速度大都保持在1 7 5 0 1 8 5 0 m s 范围内，随初压不同而稍有变动。由爆轰波的c - - j 理论计算稳定爆轰 的速度得知，传入声学吸收段的是一个稳定爆轰。在衰减区( 虚线左侧区域) ， 声学吸收段出口端的火焰速度大都在8 5 0 1 0 5 0 m s ，下降为相同实验条件下稳 定爆速的4 5 6 0 ，火焰速度随初压和采用的声学吸收壁的不同而波动，此 时稳定爆轰通过声学吸收壁过程中强度受到了极大的减弱。在未衰减区( 虚线右 侧区域) ，声学吸收段出口端的火焰速度大都在1 6 5 0 1 7 5 0 m s 范围海，大约为 相同实验条件下稳定爆速的9 5 ，下降幅度非常小，即爆轰波的强度变化很小。 表4 1 列出了不同声学吸收壁对应 表4 1各种声学吸收壁下的临界初压 的临界初压，对应图4 3 4 6 中竖立 f i g 4 1 t h ec r i t i c a li n i t i a lp r e s s t i r ef o r 的虚线。临界初压的存在是非常明显d i f f i d e n t a c o u s t i c a b s o r b i n g w a i l s 的，在l 临界初压附近增加或者减少仅仅 零点几个k p a 的初压，出口端火焰速度 就会发生很大的差异。当p o 稍大于p 。时， 声学吸收壁前后火焰速度的变化很小，甚 至还出现了火焰速度增加的现象，如图 4 5 ，p o = 2 3 9 k p a 时，声学吸收段入口端 和出口端的火焰速度分别是1 8 1 4 m s 和 1 8 7 8 m s ，爆轰波的速度增加。然而p o 一 旦小于p 。，爆轰波随即发生明显的衰减。 声学吸收壁临界初压p 。 种类( k p a ) 1 5 c ml 层1 9 9 2 0 c m l 层 2 1 3 1 5 c m 2 层 2 1 9 2 0 c m 2 层 2 4 6 另外，爆轰波受到衰减后出口端火焰速度大约在o 4 5 o 6 d c j 内波动，并没有随 初压的不同而有规律的增大或减小。 图4 7 是p o p 。时，声学吸收段出口端火焰速度随初压的变化，图中的四条 实验曲线分别表示了采用四种声学吸收壁时的实验结果。如图所示，四条实验曲 线互相交织，并没有发现声学吸收壁长度或厚度的增加会使出口端火焰速进一步 下降。也就是说，一旦爆轰波受到衰减，出口端火焰速度就在大约在o 4 5 o 6 d c j 内波动，与声学吸收壁的长度和厚度无关。 2 讨论 综合以上实验现象，我们对爆轰波通过声学吸收壁发生的衰减现象作以下 几点讨论和总结： ( 1 )对于爆轰波通过声学吸收壁能否被衰减，存在一个临界初压p 。，p o p c 时，爆轰波几乎不受影响地传过声学吸收段，强度下降很小。即爆轰波强 度要么几乎不被减弱要么被大幅减弱，而不是减弱的程度随某些实验条件( 如 p o ) 的改变而有规律的变化。因此，我们认为衰减是由爆轰波结构发生变化( 质 变) 引发的，而并不仅仅是某些因素引起的量变。 ( 2 )爆轰波结构发生变化引发衰减同样说明了为什么衰减发生后进一步增加 声学吸收壁厚度或长度并不能使火焰速度进一步下降。我们不妨假设稳定爆轰进 入声学吸收段后，进过一段距离的传播，在吸收段内的某处发生了爆轰波结构的 变化，进而蜕变成另外一种状态的爆轰波，由于它们在结构上的不同，所以声学 吸收壁使稳定爆轰衰减的因素并不能作用于衰减后的爆轰。这就解释了为什么增 加声学吸收壁的长度和厚度不能使声学吸收段出口端火焰速度进一步下降。 ( 3 ) 增加吸收壁长度和厚度可以隹临界初压提高，但是并不会使出口端火焰 速进一步下降。因此我们在评价声学吸收壁对爆轰波的效率时，应该主要以临界 初压作为依据，而衰减后的火焰速度大小则不足以作为评判的依据。 总之，我们认为发生衰减是爆轰波结构改变的结果，它对应着一个质变。 一s，暑一誊uo一磐， 然而，众所周知，量变产生质变，这里的量变就是指爆轰波在声学吸收段内衰减 发生结构变化的具体过程，) i v - , 稳定爆轰是怎样一步步被衰减以致发生结构改变 的，它是怎样与声学吸收壁作用的呢? 关于这一过程的细节是国际上同类研究的 重点和难点，我们将在下一节对这一问题作深入的分析。 4 2 2 胞格结构和衰减机理 c j 理论把爆轰波处理为冲击波与化学反应区构成的维间断面，反应是瞬 间完成的，即反应的初态与终态重合。进一步的研究表明，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 ) 1 7 2 4 。气体爆轰波的前导冲击 波是一个胞状冲击波阵面，它由多个间隔排列的马赫杆和入射冲击波组成，横波 ( t r a n s v e r s ew a v e ) 与马赫杆和入射冲击波形成马赫结构并相交于三波点。放在激波 管管壁的烟熏玻璃片或金属片能记录这些三波点的运动轨迹。在气体爆轰波传播 过后，这些轨迹表现为不断重复的类似于菱形的图案，即爆轰胞格( c e l l u l a r ) 。三 波结构在胞格的起点发生对撞，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，又发生新的三波结构对撞，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m4 4 1 ，如图2 6 和2 7 。 利用烟迹技术，我们进行了爆轰波胞格结构的研究。图4 8 4 1 1 分别给出 了p o p 。时稳定爆轰通过4 种不同的声学吸收段过程中平衡胞格逐渐消失的烟迹 图，其入口端和出口端的火焰速度对应于图4 3 4 6 相同初压下的实验点。下面 我们利用烟迹图4 8 4 1 1 对爆轰波的衰减过程及衰减机理作详细的分析。 1 衰减机理简述 从烟迹图上看进入声学吸收段前的胞格是均匀的，说明传入吸收壁前已经 建立了稳定爆轰。当稳定的爆轰波进入声学吸收段后，三波点迹线不断消失，胞 格数目逐渐减少，在传播一段距离后三波点迹线就完全消失了，此后再也没有新 的胞格产生。 关于爆轰