（工程力学专业论文）可燃气体爆轰波在弯曲管道中传播特性研究.pdf

摘要 当气体爆轰波在管道中传播时，管道形状对爆轰波传播特性会产生很大的 影螭。在输送可燃气体弱管道阏臻中，弯管是营遍存在静。磺究可燃气体瀑轰 波在弯管中传播特性不仅具有学术价值，而且具有实用价值，研究成果将为工 整季露瀑、隔瀑莘爨薅瀑等安全王程疆 篮霪要依攒。 通过实验研究了丙烷、氧气和空气的混合气体a 稳定爆轰波在内径为 5 0 r a m 的9 0 。强弯管中懿转撵特经。磁究缝采袭鞠：气体 稳定爆轰波遥过弯 管后传播速度和压力都商很大程度的提高。在相同的初始条件下，用等中心轴 线长的一维等裁瑟壹管取代9 0 。强弯管进行璨轰慰魄实验。实验发凌，经避 9 0 。弯管后气体非稳定爆轰波传播速度和压力明显大于直管中非稳定爆轰波 传播速度期压力。嚣此气体菲稳定瀑轰波在粥4 圈弯管中被艇强了。丽对实 验研究了予页混气体初始聪力、初始浓度和点火能量对弯管前后爆轰波传播速度 和压力的影响。 分别使用一维等截面等中心轴线长的0 。、6 0 。、9 0 。和1 3 5 。奄管进行 可燃气体爆轰实骏( 其中0 。弯篱是指等中心轴线长鲍壹管) 。硬究结果表明， 随着弯管角度的增加，通过弯管稻气体非稳定爆轰波的传播速度和压力先增加 后减小。工业上出于安全考虑，希望弯曲管道展非稳定爆轰波的传播速度和愿 力越小越好，这样更容翁阻爆。撩于此瓣的，设计了一种直角三通弯篱，并采 用两种安装方法进行了爆轰实验。实验结果表明：两种实验装鬣中直角三通弯 警前后菲稳定瀑焱波传播速度和压力都小于一缭等截谳9 0 。灏弯管前后非稳 定爆轰波传播速度和压力，而且其中一种实验装置中直角三通弯管前詹非稳定 瀑轰波转播速度秘压力，j 、予壹管中相同位置处j # 稳定爆轰渡传播速度和压力。 这说明了该安装方法能够更好地抑制非穗定爆轰波在弯管中加强效应。 在上逸鹣壹熊三逶弯管中安装声学设l | 芟材糕，硬究气体菲稳定瀑轰波桷传 播特性。结果表明：声学吸收材料对弯褥中非稳定爆轰波传播有很大的影响。 饕稳定瀑轰滚逶避带有声学啜浚李砉精懿盔羯三逶弯管耩健撵滤度帮聪力增幅 减小。随麓声学吸收材料厚度的增加，非稳定爆轰波通过直角_ 曼通弯管后的传 撵速度帮挺力增攥降低。 理论分析了稳定爆轰波在弯镑中传播过程，得到了计算弯管中稀疏波头和 三波点发生程互终耀戆投隈角嚣弯管中，豁重瑟零l 发爆轰位置豹公式。诗雾了弯 管凹壁面码赫杆长度和凸蹙面爆簸波强度。计算结果表明，弯管曲率半径愈大， 马赫抒增长愈抉。弯管中凸壁嚣爆轰波受至臻藏波豹嚣震逐遮衮减。竣计了痰 截丽为5 0 r a m 3 0 m m 的矩形爆轰管，实验研究可燃气体稳定爆轰波程弯管中 变化规律。利用烟迹技术获得了氢氧氩混合气体爆轰波在带有9 0 。矩形弯管 的管道中传播时留下的胞格图案。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 初始压力小于某一值p 。弯管中便不能重新引发爆轰，亦不能完全恢复稳定 爆轰波。 根据极限的概念，提出了弯管凹壁面的简化模型和基本假设，采用冲击波 极曲线关系及h u g o n i o t 关系，计算了气体爆轰波在9 0 。弯管凹壁面附近产生的 超高压。计算结果表明：凹壁侧产生的峰值压力随可燃气体混合物初始压力的 增加呈线性增加；凹壁面产生的峰值压力与c j 爆轰压力的比值随着混合气体 仞始压力的增加而减小。 关健词：气体爆轰波，弯管，传播特性，声学吸收材料，胞格结构 n a b s t r a c t w h e ng a s e o u sd e t o n a t i o n p r o p a g a t e st h r o u g hap i p e ，g e o m e t r i c a lb o u n d a r y c o n d i t i o n sp l a ya ni m p o r t a n tr o l eo nd e t o n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e r eu n i v e r s a l l y e x i s tb e n d si nt h en e t w o r ko fp i p e s t r a n s p o r t i n g c o m b u s t i b l eg a s e s s t u d yo f d e t o n a t i o nw a v ep r o p a g a t i o nt h r o u g hb e n d si so fg r e a ts i g n i f i c a n c en o to n l yf o r a c a d e m y ，b u ta l s of o rt h ei n d u s t r i a ls a f e t y t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c e f o rs a f e t yt e c h n i q u et or e p r e s s ，i n s u l a t eo r e x t i n g u i s he x p l o s i o n e x p e r i m e n t s w e r ep e r f o r m e dt o i n v e s t i g a t ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f u n s t e a d yd e t o n a t i o ni np r o p a n e - o x y g e n - a i rm i x t u r et h r o u g h9 0 。b e n di nd i a m e t e r 5 0m m t h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r eo fu n s t e a d yd e t o n a t i o na f t e r9 0 。b e n da r e s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t i nt h es t r a i g h tc h a n n e l c o m p a r i n gw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t so f s t r a i g h tc h a n n e l ， t h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r eo fu n s t e a d yd e t o n a t i o na f t e r9 0 。b e n da r ei n c r e a s e d o b v i o u s l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n t i m a t et h a tw h e nu n s t e a d yg a s e o u sd e t o n a t i o n w a v ep r o p a g a t e st h r o u g h9 0 。r o u n db e n d ，i ti s s t r e n g t h e n e d i n f l u e n c e so ft h e i n i t i a l p r e s s u r e ，m a s sp e r c e n t a g e o fc o m b u s t i b l e g a s a n d i g n i t i o ne n e r g y o n d e t o n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g h 9 0 。r o u n db e n dw e r ea l s o i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y t h ei n f l u e n c eo fb e n da n g l e sw a si n v e s t i g a t e do np r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fu n s t e a d yd e t o n a t i o n t h eb e n da n g l e s ，c h o s e nf o re x p e r i m e n t sw e r e0 。，6 0 。， 9 0 。a n d13 5 。t h es t r a i g h tc h a n n e lw a sc o n s i d e r e da st h e0 。b e n d a 1 1t h eb e n d s u s e dh a dt h es a m ea x i a ll e n g t h e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es t r e n g t ho fu n s t e a d y d e t o n a t i o nb o t hb e f o r et h eb e n da n da f t e rt h eb e n di n c r e a s e sa tf i r s ta n dt h e n d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo ft h eb e n da n g l e f o rs a f e t y a s p e c t si ni n d u s t r y ，i ti s e x p e c t e dt h a tt h ev e l o c i t ya n dt h ep r e s s u r eo fg a s e o u sd e t o n a t i o na f t e rt h eb e n d a r ea ss m a l la s p o s s i b l e t oa c h i e v et h i sa i m ，ar i g h t a n g l et e ej o i n tb e n dw a s d e s i g n e d t w oe x p e r i m e n t a ls e t u p s w i t ht h e r i g h t a n g l e t e ej o i n tb e n dw e r e a d o p t e dt o d oe x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e v e l o c i t ya n d p r e s s u r e o fu n s t e a d yd e t o n a t i o na f t e rt h er i g h t a n g l et e ej o i n tb e n do fd i f f e r e n t e x p e r i m e n t a ls e t u p sa r es m a l l e rt h a nt h a ta f t e r9 0 0r o u n db e n d f u r t h e r m o r e ，t h e s t r e n g t h o fu n s t e a d yd e t o n a t i o na f t e rt h e r i g h t a n g l e t e ej o i n tb e n do fo n e e x p e r i m e n t a ls e t u pi s s m a l l e rt h a nt h a ti n s t r a i g h tc h a n n e l t h ee n h a n c e m e n to f u n s t e a d yd e t o n a t i o ni sw e l lr e p r e s s e dt h r o u g h t h er i g h t - a n g l et e e j o i n tb e n d t h ei n f l u e n c eo ft h i c k n e s so fa c o u s t i c a b s o r b i n gm a t e r i a l o np r o p a g a t i o n l i t c h a r a c t e r i s t i c so fu n s t e a d yg a s e o u sd e t o n a t i o nt h r o u g ht h e r i g h t a n g l e t e ej o i n t b e n dw a sa n a l y z e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta c o u s t i c a b s o r b i n gm a t e r i a l h a sa p r o n o u n c e d e f f e c to na t t e n u a t i o no f u n s t e a d yd e t o n a t i o n p r o p a g a t i n g t h r o u g ht h er i g h t a n g l et e ej o i n tb e n d d e t o n a t i o ns t r e n g t hb o t hb e f o r et h eb e n d a n da f t e rt h eb e n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e i nt h et h i c k n e s so fa c o u s t i c a b s o r b i n gm a t e r i a l p r o p a g a t i o np r o c e s so fs t e a d y d e t o n a t i o ni nt h eb e n dw a sc a r r i e do u t b y t h e o r e t i c a la n a l y s i s f o r m u l ao f c a l c u l a t i n gt h eg r o w t h o fr o a c hs t e m ，a t t e n u a t i o n o fd e t o n a t i o n s t r e n g t h a tt h ec o n v e xw a l lo ft h eb e n d w e r eo b t a i n e d c o m p u t a t i o n a lr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tm a c hs t e mg r o w sf a s tw i t ha ni n c r e a s eo f r a d i u so fc u r v a t u r eo ft h eb e n da n dd e t o n a t i o nw a v ea t t e n u a t e s q u i c k l ya s i t p r o p a g a t e sa l o n gt h eb e n d r e c t a n g u l a rc h a n n e l sw i t h9 0 0b e n do f5 0 3 0m m 2 i n t e r n a ld i m e n s i o n sw e r ed e s i g n e dt o s t u d y t h ec e l l u l a rs t r u c t u r eo fg a s e o u s d e t o n a t i o n s m o k e df o i lr e c o r d sw e r eo b t a i n e dw i t h s t o i c h i o m e t r i c h y d r o g e n - o x y g e nd i l u t e dw i t h7 0 a r g o nw h e nd e t o n a t i o np r o p a g a t e dt h r o u g h c h a n n e l sw i t h9 0 。b e n d d e t o n a t i o nc e l l ss h o wt h a ts t e a d yd e t o n a t i o ne x p e r i e n c e s a t t e n u a t i o n ，p a r t i a lq u e n c h i n g ，r e i n i t i a t i o na n dr e c o v e r yb yas e r i e so fc o m p l e x i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt r a n s v e r s ew a v e so nt h eo r i g i n a lf r o n t ，t h er a r e f a c t i o nw a v e p r o d u c e da t t h ee x p a n s i v es i d eo ft h eb e n da n dr o a c hs t e ma n dr e f l e c t e dw a v e p r o d u c e d a tt h e c o m p r e s s i v es i d e o ft h eb e n d i n f l u e n c e so ft h er a d i u so f c u r v a t u r eo ft h eb e n da n di n i t i a lp r e s s u r ew e r ed i s c u s s e di nd e t a i l a st h er a d i u s o fc u r v a t u r eo f9 0 。b e n di si n c r e a s e d ，i tb e c o m e si n c r e a s i n g l ye a s i e rt om a i n t a i n s t r u c t u r ea sad e t o n a t i o nw a v ed i f f r a c t st h r o u g ht h eb e n dd u et ot h ei n f l u e n c eo f t h e e x p a n s i o nw a v eg e n e r a t e d a tt h ec o n v e xs u r f a c eo na t t e n u a t i n gd e t o n a t i o n f r o n tb e c o m e s1 e s s a n dt h ed i s t a n c e f o rf u l l r e c o v e r yo fa s t a b l ed e t o n a t i o n b e c o m e ss h o r t e r a st h ei n i t i a lp r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h ed i s t a n c ef o rf u l lr e c o v e r yo f as t a b l ed e t o n a t i o nb e c o m e sl e s s f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ea l s oo b t a i n e d ：w h e n t h ei n i t i a l p r e s s u r e i ss m a l l e rt h a nt h ec r i t i c a l p r e s s u r ep o ，d e t o n a t i o n r e i n i t i a t i o nc a n to c c u ra n df u l l r e c o v e r y o fas t a b l ed e t o n a t i o nf r o n td o e s n t a p p e a ri nt h eo b s e r v e dr e g i o n i nt e r m so fl i m i tc o n c e p t ，t h es i m p l i f i e dm o d e lo ft h ec o n c a v ew a l lo f9 0 。 b e n dw i t hr e c t a n g u l a rc r o s ss e c t i o nw a sp r e s e n t e d s e v e r a lb a s i ca s s u m p t i o n sa r e m a d e b a s e do np o l a ra n a l y s i sa n dh u g o n i o tr e l a t i o n ，a p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o n so f t h el o c a l i z e d p r e s s u r er e g i o n i nt h e v i c i n i t y o ft h ec o n c a v ew a l li n h 2 0 2 a r m i x t u r ew e r ec a r r i e do u t t h e p e a kp r e s s u r ep r o d u c e d a tt h ec o n c a v ew a l l i n c r e a s e sa p p r o x i m a t e l yl i n e a r l yw i t ht h ei n i t i a l p r e s s u r e ，w h i l et h er a t i oo ft h e p e a kp r e s s u r et ot h ec h a p m a n j o u g u e tp r e s s u r ed e c r e a s e s k e yw o r d s ： g a s e o u s d e t o n a t i o n ，b e n d ，p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a c o u s t i c a b s o r b i n gm a t e r i a l ，c e l l u l a rs t r u c t u r e v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 一般可燃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，并丌始化学反应的过程。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。 在工业生产中由于爆轰引起的破坏和灾害时有发生，尤其是在各种具有粉 尘的车间及燃气输运管道中。由于爆轰引起的破坏极为普遍和严重，这对生命 和财产安全构成了极大的威胁。要控制和减少爆轰引起的破坏，就必须对含能 物质爆轰形成和发展的机制有一个深入的了解。由于爆轰学发展历史较短，到 目前为止，理论系统仍不完备。有关起爆、熄爆、爆燃向爆轰转变等过程的机 理和规律的研究还仍在进行。随着工业的发展，又不断提出新的课题。爆轰过 程包括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 区是化学反应和流体力学的强烈耦合区。因此，爆轰的研究工作由具体到一 般，由定性到定量，由实验到理论，由理想到非理想，仍然存在很长的一段过 程i2 1 。 三厘岛爆炸事件的发生，使人们意识到在核反应堆里存在着潜在的危险， 即氢气和空气混合物的爆炸可能造成严重后果。因此可燃气体爆轰的研究已经 成为一个十分注目的问题。许多国家都对可燃气体混合物的爆炸问题进行了研 究，并取得了显著进展p 8 j 。最近几年对可燃混合气体爆炸问题的研究也包括 了大规模实地试验。 气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，不可避免地存在着弯管。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，都有不同形状和角度的弯管。可燃气体爆 轰波经过弯管时，其传播特性必然不同于直管道。但是由于问题的复杂性，气 体爆轰波在弯管中究竟发生怎样的变化，爆轰波传播速度和压力是增加还是减 小? 至今尚未得到解决。在工业上广泛使用管道阻火器来阻止非正常爆燃火焰 可燃气体爆轰波在弯曲管道中传播特性研究 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，例如英国标准b s 7 2 4 4 绘 出的阻火器试验方法和试验程序f 9 j 中所述，当管道中可燃气体种类和气体压力 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的回火 ( 或点火) 处的最大距离。这个距离就是火焰加速段长度，简称点火距离。我 国的国家标准g b l 3 3 4 7 9 2 1 0 l 也是仿照这个观点规定的，理由是较长的点火距 离会产生较大的火焰传播速度。w a s t o n t i l l 所给出的在不同直径的真管道中火 焰速度与点火距离的关系曲线证明了这一点，该结果直被用于确定管道阻火 器的额定阻火速度值。 目前有关气体爆燃火焰或非正常爆轰火焰在弯管中传播特性的研究公开 报道很少。如果简单采用直管中的爆轰参数来选择阻火器的规格，对输送可燃 气体的管道网而富，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。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反射和绕射机理，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、隔爆和熄爆等安全技术提供 依据。 12 国内外研究现状 气体爆轰波在一维等截面直管道中传播已经进行了广泛的研究i l2 ”j 。与弯 管中爆轰传播问题相比较而言，一维直管道中气体爆轰波的传播过程及其性质 要明晰得多。周凯元等人2 l 研究了爆燃波的火焰面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 a l a m a n d r a 等人】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( d d t ) 。d o u g l a s 等人【i 副 研究了预混气初始压力和温度对氢气空气稀释剂混合气爆轰波的影响。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：但 【2 第一章绪论 是初始压力对某些可燃混合气横波伺距( 相邻横波在传播过程中最远距离，也 称胞格宽度) 的影响不大。e d w a r d s 【1 7 l 研究了在直管道中爆燃火焰的加速和爆 轰发展。从压力时程记录得出，可燃混合气体点燃到稳定爆轰形成共经历四个 阶段：缓慢燃烧阶段，在这一阶段，放热化学反应阵面前气流位移很小，火焰 速度相对爆轰管也较小；快速燃烧阶段，在这一阶段，由于未燃气体与管道壁 面的相互作用，湍流火焰出现，冲击波形成，爆炸过程加速：超驱动爆轰阶段， 在这一阶段，d d t 过程发生，产生超高压；稳定爆轰阶段。 国内外对直管道中可燃气体从点火到爆轰形成进行广泛的研究，取得了显 著的成果 1 8 - 2 6 。尽管有许多问题尚未得到理论上的明确解释。例如，d d t 过 程中的超驱动爆轰问题。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。目前，多数人认为，可燃气体的引爆过程是按以下的方式发展：在接近 管端引爆源产生的火焰在气体中产生一个压缩波，在离管端的某一距离处逐渐 变诫冲击波，使气体流动变成湍流，湍流的作用使火焰燃烧面积增加，反应加 剧，这样就逐渐加强了冲击波，燃烧速度逐渐增加，最终发展为爆轰波。 p e r a l d i 等人【1 9 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。在设置有障碍物的管道中 d d t 发生的量化标准是a d l ，其中a 是胞格宽度、d 是管道直径。s m i r n o v 等人【2 1 1 采用二阶化学反应模型数值模拟了爆轰转变过程。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。a b r a h a m 等人【2 4 】通过 测量爆轰管中光强度来判断d d t 发生的位置，同时用压力传感器来测量压力 变化。实验结果表明：d d t 发生距离和时间是初始浓度、初始压力和点火能 量的函数。高泰荫 2 5 1 运用化学流体力学理论与两步燃烧反应原理，对一维封 闭系统c h 4 0 2 混合气的d d t 问题进行了数值模拟。数值模拟结果表明，提高 点火温度或提高未燃混合气的初始温度都能使爆燃向爆轰的转变加快、转变距 离缩短；但是提高未燃混合气的初始温度将会使爆轰强度减弱。存在小于当量 浓度的一个最佳燃料初始质量浓度值，使得爆燃向爆轰的转变时间和距离最 短；当燃料初始质量浓度处于当量浓度时，爆轰波强度最大，火焰面温度最高。 张德良 2 6 1 运用t v d 格式模拟了一维可燃气体d d t 过程。数值计算结果表明， 随着化学反应的进行，燃烧面上的压力、密度和温度都增加，反应速度不断加 快，燃烧加速，燃烧波不断追赶激波，最后在燃烧面上产生超驱爆轰，然后又 逐渐衰减为稳定的c j 爆轰。爆轰波的产生依赖于化学反应是否能提供足够的 能量来维持爆轰波的运动。化学反应所释放热量的多少与化学反应速度的大小 和燃烧热有关。化学反应速度取决于活化能、反应气体的状态( 密度，温度和 压力等) 和点火能量。 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 ) 。 3 可燃气体爆轰波在弯曲管道中传播特性研究 一一。_-_-h_一 气体爆轰波的前驱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 ) 总是与马赫秆和入射冲击波形成 马赫结构，并相交于三波点。放在爆轰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 菱形或鱼鳞形图案，即爆轰胞格( d e t o n a t i o nc e l l ) 。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【2 7 珊1 。 实验观察是研究爆轰波结构的重要手段。烟迹技术是获取爆轰波胞格结构 的最简单而又经济有效的方法。进入2 0 世纪7 0 年代以后，人们对气体爆轰波 胞格结构和传播规律进行了大量的实验研究，取得了很大进展，推动了这个领 域的研究工作 2 9 - 3 6 1 。 日本的t a k a i 等人实验研究了初始压力为1 0 0 乇( 1 乇= l 毫米汞柱高) 的 3 0 ( 2 h 2 + 0 2 ) 加7 0 a r 的混合气体爆轰胞格。实验发现，在三波点刚刚碰 撞之后，波速达c j 值的1 5 倍，然后迅速下降。但是不久就有回升。约在l 5 处出现一个小的高峰后又下降。另外，接近末端时速度又上升。其它人没有观 察到这种回升的现象。但局部达到最大值的现象却符合b a r t h e l 提出的胞格结 构引爆理论。可解释为在碰撞后，在很高的压力和温度下发生吸热过程，波速 下降。但当压力和温度开始下降以后发生放热反应，速度上升到一个峰值。至 于接近胞格末端时速度的回升有人认为是反射波碰撞引起的。 s t e w a r t 等人【29 l 数值模拟了爆轰胞格的发展过程。通过计算发现，三波点 轨迹是胞格阵面激波- 激波的相交点，给出了预测爆轰胞格宽度的公式。 k u m a r i ”l 实验研究了氢氧氩混合气体的爆轰胞格宽度与初始压力、初始温度和 氢气浓度的关系。实验结果表明，初始温度对爆轰胞格宽度影响甚微；而且给 出了预测氢氧氦混合气体的胞格宽度的经验公式，五= 4 3 l ，其中九为胞格宽 度，l 为诱导区厚度。t a r v e r l 3 3 1 数值研究了气体爆轰波胞格结构中化学能量释 放。数值研究表明，前驱冲击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 由横波碰撞过程提供。在临界爆轰的自持传播过程中，强 度很大的横波和高压在重新引发爆轰过程中起到很重要的作用，而在普通爆轰 的自持传播中，强度较弱的横波所起的作用很小。b a t h e l 3 4 1 提出了预测气相爆 轰胞格宽度的标准。这个标准依赖波阵面碰撞形成新的化学反应中心，最终形 成新的胞格。并且计算了各种初压、稀释剂和超压程度下的爆轰胞格宽度并与 实验值进行比较。在无超压情况下，计算值大约是实验测量值的二倍。 黄中伟等人【3 5 1 实验研究了d d t 超驱动爆轰胞格结构，研究结果表明，随 第一章绪论 着超压程度的增加，爆轰胞格变小。超驱动爆轰压力随着胞格宽度的减小而增 大，给出了胞格宽度与超驱动爆轰压力、胞格宽度与超驱动爆轰波速度的关系。 周凯元等人【36 】在爆轰管稳定爆轰段内设置一定长度的声学软吸收壁研究气相 爆轰波平衡胞格稳定性。实验发现，当爆轰波进入软吸收段后，由于靠近软壁 的横波不断与软壁碰撞而被吸收，爆轰波阵面上的横波不断减少，三波点个数 也随之减少，于是胞格逐渐地消失了。在距离软吸收段入口端某一位置处，横 波全部被软壁吸收，三波点迹线从该处开始全部消失。这时，三维的爆轰波阵 面变成一维阵面。当一维平面爆轰波通过软吸收段末端时，在软壁与钢性壁连 接处形成两道柱面扰动激波( 新的横波) 向轴中心运动，同时就形成了三波点 结构。这时三波点的迹线与轴中心线的夹角较大。当新的横波在中心碰撞后， 发生马赫反射，反射波、入射波和马赫波的强度都增大。但是这时爆轰速度和 压力仍然低于同初压下的稳定爆轰值。此后突然出现了超驱动爆轰( 称为超压 爆轰) 的情况，类似d d t 过程中的超驱动现象。这种爆轰是不稳定的，经过 一段距离后恢复到规则平衡胞格了。爆轰波经过软吸收段的扰动后，又重新回 到了稳定传播状态。这个事实显示了爆轰波具有很强的稳定性。当它受到外部 条件的扰动而偏离了稳定状态时，若条件恢复，则能够自动回到原来的稳定传 播状态。这种恢复能力随着初始压力( 或爆轰强度) 的减小而减弱。当初始压 力较小时，可能要经过相当长的一段距离才能恢复稳定。 出于安全技术的考虑，国内外学者对气体爆轰波在扩张管道传播特性作了 较为详细的研究。普遍认为存在一个临界直径，即平面爆轰波突然从管道传播 到无限大空间而不熄灭的最小管径，得到了临界直径与爆轰波其它参数的关 系。因为当爆轰波进入扩张管时，由于稀疏波的作用，爆轰波要衰减，诱导激 波与化学反应区要分离，诱导区后的压力和温度要降低。m i t r o v a n o v 等人【3 7 】 得到了临界直径d 。和胞格宽度丸的关系，在圆管中d 。= 1 3 九，而在方管中w = l o k ， w 为方管宽度。陈成光等人 3 8 - 3 9 1 分别利用圆形和方形爆轰管，通过改变惰性气 体的比例和圆锥管道的锥角，实验研究了扩张管爆轰临界直径问题，得到了不 同稀释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【4 0 1 研究了爆轰波在 扩张管中的临界传播特性，得到扩张管的扩张半角与脆格宽度的关系。 郭长铭等人【4 i l 研究了气相爆轰波在收缩管道中的传播。实验发现气相爆轰 波在绕射楔块时也和空气中平面冲击波那样会出现马赫反射。与冲击波不同的 是，爆轰波马赫反射三波点迹线的位置具有不确定的随机性。楔角角度越大， 这种随机性越小。当楔角大于3 0 。时，三波点迹线一般都从顶点位置形成。 1 9 6 7 年s k e w s 4 2 1 实验研究了激波经过各种角度的外折拐角的绕射问题。首 先分析了在给定初始压力和初始马赫数的条件下激波的形状。不同角度的外折 5 司燃气体爆轰波在弯曲管道中传播特性研究 拐角的激波形状并不是组成一条垂直于壁面的平直壁面激波曲线，并与主激波 曲线相切。在任意马赫数下，不同角度的外折拐角的激波实际上组成一个包络 线，它被看作是主激波曲线，不依赖于外折拐角角度大小。同时他给出了膨胀 波头与平直壁面的夹角与初始激波马赫数的关系。i 9 6 7 年s k e w s f 4 3 1 研究了在 平面外折拐角处绕射激波后方扰动区扰动行为。实验结果表明，当外折拐角角 度大于7 5 。时，滑移线的位置、普朗陀一迈耶流动区的末端、接触面速度和 第二激波都与外折拐角角度大小无关。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1 4 4 】1 9 7 9 年研究了平面爆 轰波在管道面积突然增大时的绕射问题。他们认为对于氧乙炔混合物，发生重 新点燃的平直管道临界宽度大约是爆轰波平衡胞格宽度的1 0 倍。对于i 临界和 超临界状态，重新点燃在面积突然变化的位置产生的膨胀波的波头。如果假设 x ，表示重新引发爆轰的激波位置，s 为平稳胞格宽度，m 为膨胀波头和直管壁 夹角，那么x 。s 恒等于5 c t g m 。b a r t l m a 等人1 4 5 1 9 8 6 年探讨了平面爆轰波在不 同角度的凸壁处的绕射。在凸壁外折拐角处，由于未燃混合气组成不同，平面 爆轰波的绕射过程出现两种不同情况。对于丙烷、氧气和氩气的混合物，入射 爆轰波横波间距较小时，由于受到拐角处稀疏波的作用，前驱冲击波阵面与化 学反应区分离，在冲击波阵面绕射过程中发生局部爆轰，最终重新恢复稳定爆 轰。如果外折拐角角度超过4 5 。，则形成超驱动爆轰。对于丙烷、氧气和氮 气的混合物，横波间距较大，跨越爆轰管的爆轰胞格数小于1 0 时，出现爆轰 熄灭。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，绕射波 的形状也是自相似的，说明几何形状的影响是主要因素。n e t t l e t o n l 4 6 j 实验研究 了在二维面积扩张管道的扩张角、面积变化率和气体比热率对激波衰减的影 响。结果发现，沿着管道对称轴激波强度随着管道面积的增大而迅速减小；在 接近面积变化处出现的强激波现象可利用激波绕射的s k e w s w h i t h a m 分析法 解释。c h i s n e l l 4 7j 给出了激波通过面积发生小变化的管道情况下，给出了激波 强度与管道面积改变量之间的一阶精度关系，并且把这种关系推广到会聚柱状 和球形激波与管道面积的关系。 国内外学者也对气体爆轰波在直管道中遇到楔形障碍物的反射和绕射现 象进行了广泛的研究【4 牡”1 。研究结果表明，在管道中放置楔形体对爆轰波的 传播影响很大。当气体爆轰波在管道中遇到楔形体时，在楔形面上发生反射现 象。当楔形体顶角较大时，一般发生规则反射。当楔形体顶角小到一定程度时， 就会发生马赫反射。在马赫反射结构中，爆轰波阵面由很多小的横波结构，这 些横波相互作用，产生强放热化学反应区，支持爆轰波传播。当爆轰波绕射过 楔形体时，其正常的传播不能维持。之后一旦干扰消失，它又具有一定的恢复 能力。谢巍【4 9 】研究了可燃气体d d t 过程和爆轰波马赫反射问题。通过实验得 第一章绪论 出，爆轰波在通过管道中狭缝时胞格增大，最终消失，在距离狭缝某一位置处 爆轰胞格开始恢复，胞格很小，随着波的传播，胞格增大。而且爆轰波马赫反 射三波点迹线与楔块斜面夹角随楔角的增大而减小。t h o m