初始壓力和狹縫寬度對毫米量級狹縫內爆轟起爆距離的影響*

張彭崗,朱躍進,潘振華,王 謙

(江蘇大學能源與動力工程學院,江蘇 鎮江 212013)

初始壓力和狹縫寬度對毫米量級狹縫內爆轟起爆距離的影響*

張彭崗,朱躍進,潘振華,王 謙

(江蘇大學能源與動力工程學院,江蘇 鎮江 212013)

為獲得狹縫內爆轟起爆距離的影響因素，分別在高度為1.0 mm，寬度為10、20、30 mm的狹縫爆轟管內，對不同初始壓力下(p0=5.0～50.0 kPa)等當量比的乙烯/氧氣預混氣體進行了單次爆轟性能實驗研究。根據煙跡法、高速攝影圖片判定起爆位置，分析了初始壓力和狹縫寬度對爆轟起爆距離的影響。結果表明：(1)p0=21.0～30.0 kPa時，起爆距離隨著狹縫寬度的增大而逐漸縮短；(2)p0=35.0～42.5 kPa時，起爆距離隨著狹縫寬度的增大先縮短后增大，在p0=45.0～50.0 kPa時起爆距離隨著狹縫寬度的增大基本保持不變；(3)3種狹縫寬度下，量綱一起爆距離隨量綱一初始壓力的變化曲線差異較大。

爆炸力學；起爆距離；煙跡法；微爆轟；微燃燒；狹縫

爆轟起爆距離(detonation initiation distance,DID)是爆燃向爆轟轉捩(deflagration to detonation transition，DDT)研究中的重要參數之一。對大尺度爆轟管(厘米及以上量級)的研究表明：DDT過程具有動態性、隨機性和不穩定性，DDT距離受點火能量及位置、混氣初始條件、管徑尺寸及燃料種類等因素的影響[1-2]。而隨著通道尺寸的急劇減小，小尺度通道(毫米及以下量級)特定的結構尺寸本身能夠加速火焰的傳播[3]，使小尺度通道內爆轟的轉捩機理有別于大尺度管道內的DDT過程，從而導致2種管道內起爆距離的變化規律有差異。

近年來，一些學者陸續對小尺度通道內的爆轟開展了研究。實驗研究主要分為2類：一類是研究近極限條件下小尺度通道內的爆轟波傳播模式和速度虧損。相關研究表明：(1)受爆轟波陣面后邊界層負位移的影響[4]，壁面邊界條件抑制不穩定爆轟氣體的胞格導致熄爆[5]，這與J.A.Fay[6]的理論一致；(2)壁面帶來的熱量和動量損失導致速度虧損[7]，穩定爆轟波的速度虧損與管道尺寸的變化成一定的比例[8]。遠離爆轟極限時[9]，爆轟波速度穩定且震蕩較小;當接近極限條件時，爆轟波出現明顯的速度震蕩。另一類則是研究DDT過程。M.H.Wu等[10]在內徑為0.5～3.0 mm的玻璃管內得到了穩定爆轟波，研究顯示常溫常壓下小尺度管道內起爆距離隨管徑的增大而增大，這類似于大尺度管道內起爆距離的變化規律。隨后，M.H.Wu等[11]在0.26、0.12 mm等2種高度的圓盤狀狹縫內得到了DDT過程。實驗表明狹縫高度越小，DDT時間和距離越短。K.Nagai等[12]在高1～5 mm、寬8 mm的矩形狹縫內研究了DDT過程，建立了起爆距離隨初始壓力變化的線性關系式。相關數值模擬則研究小尺度通道內DDT過程中火焰的傳播機理，主要考察壁面條件對火焰傳播過程的影響。M.F.Ivanov等[13]研究了不同寬度的管道內管道寬度對火焰傳播和DDT過程的影響。研究表明：在爆燃轉捩為爆轟前，火焰的加速完全由火焰前沿的流動特征所控制。由于壁面條件對狹小空間內火焰傳播的影響很大，V.Akkerman等[14]研究了絕熱圓管壁面摩擦力對火焰傳播的影響。首次證實：壁面摩擦引起火焰形變，當火焰的熱膨脹率超過由火焰外形決定的臨界熱膨脹率時，火焰的加速受到影響。L.Kagan等[15]研究了狹縫過渡到小圓管時火焰傳播和DDT過程，表明強烈的壁面摩擦提高了火焰初始速度，促進了DDT的形成。相對而言，目前對小尺度狹縫內爆轟的形成與傳播過程已獲得了一定的研究成果[16-17]，但爆轟起爆距離方面的實驗數據還很欠缺。

本文中，擬以乙烯/純氧混氣為實驗對象，針對高度為1.0 mm的狹縫內的DDT過程，利用高速攝影圖片和煙跡圖，深入研究初始壓力和狹縫寬度等參數對起爆距離的影響。

1 實驗設備及研究參數

實驗系統如圖1所示，包括狹縫、氣源及充氣系統、點火系統和光學測量系統等。狹縫長度為1 220 mm，借助1.0 mm 厚的墊片來實現狹縫高度，如圖1(a)中A-A所示,高度H=1.0 mm，寬度W=10,20,30 mm。在狹縫一側安裝表面熏制好煙膜的鋁板，用于記錄爆轟波的運行軌跡。狹縫另一側為6 mm厚的聚碳酸脂板(透光性好，耐壓10 MPa以上)，以達到狹縫整體可視化的要求。鋁板、墊片和聚碳酸酯板的表面都很光滑，經過精加工后考慮到安裝誤差，狹縫的高度和寬度誤差均約為±0.02 mm。實驗測試氣體為乙烯和氧氣的預混氣體，以化學當量比在預混罐中混合。為保證混氣均勻充分混合，將混氣靜置24 h后進行實驗。實驗中同時對3個狹縫進行充氣，從而保證三者的初始狀態相同，混氣初始壓力p0=5.0～50.0 kPa。狹縫剛性端設置充氣-點火組件，出口端用厚約0.1 mm的鋁膜片密封。

圖1 實驗系統示意圖及實物圖Fig.1 Schematic diagram and photo of experimental system

初始參數的微小變化會導致爆轟特性產生很大的變化。本文實驗的特點:(1)初始壓力較低；(2)狹縫體積較小。這2個特點決定本實驗系統必須具備良好的氣密性。氣密性調試過程中發現狹縫壁面不宜設置進氣口，因此將點火和充氣設置為如圖1(a)中B-B所示的充氣-點火組件，由點火探針和進氣嘴組成，自制的點火器電壓值為5 kV，空腔出口和狹縫入口相接，實驗中圓形空腔內混氣形成熱射流，從而引燃狹縫內的混氣。實驗中為盡可能減小射流火焰對狹縫內火焰初始速度的影響，空腔直徑設為2 mm，長度為5 mm。這是基于M.H.Wu等[10]的實驗進行設計的，M.H.Wu等[10]利用電壓為3 kV的點火器對內徑為2 mm圓形玻璃管內常壓下化學當量比的乙烯/純氧混氣進行觸發，實驗結果表明DDT距離約為150 mm。而本文的乙烯/純氧混氣最高初始壓力僅為50.0 kPa，因此在點火空腔內產生長度為5 mm的熱射流仍為緩燃火焰，這類似于柱狀弱點火源。雖然空腔直徑略大于狹縫高度，射流火焰向狹縫內傳播時會遇到截面積變小，同時混氣初壓改變使射流火焰的速度發生變化，但本實驗的柱狀弱點火源火焰傳播速度小，能量低，對狹縫內火焰初始速度的影響可以忽略。下一步的實驗中擬將點火針直接放置在狹縫入口，以進一步減小實驗誤差。

光學測量系統由OLYMPUS i-SPEED高速攝相機和其他輔助設備組成，如圖1所示將3個狹縫依次疊放，實驗中通過調整高速攝影儀鏡頭和狹縫之間的距離，可實現對3個不同寬度的狹縫進行整體拍攝，拍攝速度為7.5 萬幀/秒。高速攝影儀的觸發信號與點火信號同步，即按下點火按鈕的同時高速攝影儀記錄數據，實驗中對3個狹縫同時進行點火和拍攝，可一次獲得3個狹縫整體長度范圍內的火焰發展過程。本文中在處理高速攝影圖片時，利用軟件分別截取并整合為不同寬度的高速攝影圖，長度方向只截取火焰顯示區域的長度，即1 170 mm，以高速攝影圖片中在特定時間內火焰鋒面的移動距離來計算火焰平均傳播速度。

2 實驗結果分析

2.1 爆轟起爆距離和混氣可爆范圍的確定

本實驗中爆轟起爆距離LDID可通過以下實驗結果得出：(1)高速攝影圖片中點火端到火焰發生急劇加速位置的距離；(2)煙跡圖中點火端到過驅爆轟軌跡線位置之間的距離。從實驗結果來看，這2個距離符合良好。圖2為p0=25 kPa，W=10 mm時狹縫的高速攝影圖片及過爆區域胞格圖，則該狀態下LDID=92～102 mm，其中高速攝影和煙跡圖下的標尺0位置表示狹縫內火焰的初始發展位置。由于起爆距離大部分位于100 mm內，為更清晰地反映起爆距離變化的定性規律，對起爆距離取平均值，如圖2中起爆距離取平均值為97 mm。

從高速攝影圖片和煙跡圖分別得到火焰傳播速度和爆轟波陣面三波點的運行軌跡，綜合判斷不同初始條件下混氣的可爆范圍，如圖3所示。圖3中曲線1左側為無爆區，曲線2右側為穩定爆轟區，中間部分為不穩定爆轟區。從圖3可以看出，隨著狹縫寬度的增大，穩定爆轟所對應的初始壓力越高，不穩定爆轟區明顯變窄。由于不穩定爆轟波速度振蕩較大，從高速攝影圖中很難確定火焰加速的具體位置，因此本文中主要討論穩定爆轟區起爆距離的變化規律。

圖2 爆轟起爆距離Fig.2 Initiation distance of detonation wave

圖3 可爆范圍的確定Fig.3 Determination of detonable range

2.2 不同初始壓力下狹縫寬度對起爆距離的影響

點火后，狹縫內火焰的傳播受幾個因素的影響：(1)寬約2 mm的熱射流向狹縫內膨脹、擴散和傳播，火焰鋒面形成的弱壓縮波不斷向前推進，掃過未燃混氣會提高當地的溫度和壓力。火焰鋒面壓縮并誘導未燃混氣流動，使更多的混氣進入火焰面，從而提高燃燒速率。這些因素之間的相互作用，呈現的正反饋機理[18]使火焰燃燒速率急劇上升。(2)火焰壓縮前沿氣體流動并誘發邊界層，邊界層的發展對火焰傳播的影響有2個方面。一方面使得主流區通道變窄，流量降低，此時邊界層的負位移效應[6]使火焰速度衰減。另一方面，邊界層內氣流速度與主流速度之間存在差異，導致狹縫壁面處火焰面發生彎曲，邊界層內的燃燒產物向火焰面正后方膨脹，這種效應類似于活塞推動火焰加速[19]。

2.2.1 21.0～30.0 kPa的初始壓力下狹縫寬度對起爆距離的影響

圖4 狹縫寬度對起爆距離的影響Fig.4 Initiation distance varying with gap width

圖4為p0=21.0～30.0 kPa時起爆距離隨狹縫寬度的變化規律。從圖4可知：在某一固定初始壓力下，起爆距離隨著狹縫寬度的增大而縮短，且隨著壓力的升高，曲線的斜率逐漸降低。另外當W=10,20 mm時，隨著初始壓力的升高，起爆距離逐漸縮短。相反,當W=30 mm時，隨著初始壓力的升高，起爆距離先縮短后增大。表明狹縫DDT過程也具有隨機性，但總體上具有一定規律性。

以圖4中p0=25.0 kPa對應的曲線為例，圖5給出了該曲線對應的火焰速度、起爆階段胞格及高速攝影圖。由圖5(a)可知，3種寬度的狹縫內火焰初始速度均約300 m/s，明顯高于乙烯/純氧混氣的湍流火焰速度10～50 m/s[10]。3種寬度的狹縫內火焰速度上升都很快，但湍流火焰面的形狀和發展呈現不同的變化模式，導致起爆距離產生差異。尤其W=30 mm時，僅傳播約30 mm，火焰速度從340 m/s上升到2 760 m/s，明顯高于C-J速度2 326 m/s,產生過爆。原因是：(1)湍流火焰前沿混氣更多，各類正反饋相互作用時間長、強度大，利于火焰加速；(2)狹縫面容比rsv=2(W+H)/(WH),W=30 mm時面容比最小，熱損失最少，利于火焰加速；(3)加速的火焰使邊界層變薄，負位移效應減弱，與主通道的正反饋作用相比，活塞效應影響較小，導致最短的距離內火焰速度上升最快。當側壁面上的亮帶和狹縫中間的圓弧型火焰面聯成一體，表明側壁面附近的混氣達到自燃點后有可能出現爆轟中心[18]。兩側壁面的爆轟中心同時向狹縫中間擴散，與傳播中的火焰面相遇后，能量急劇增加，從而形成圓弧型過驅爆轟波，如圖5(b)的胞格1所示，距狹縫入口23～32 mm處出現圓弧型過驅爆轟波軌跡線，對應在圖5(c)的高速攝影圖1中相同的位置處具有圓弧型火焰面，且過爆直接出現在火焰傳播過程中。當狹縫寬度降低到20 mm時，正反饋相互作用的強度減弱，同時火焰散熱損失增大，負位移效應增強，火焰速度升高相對緩慢，起爆距離增大，如圖5(c)的高速攝影圖2所示，在寬度方向狹縫壁面上出現亮斑，但亮度弱于狹縫中間的火焰，表明狹縫壁面上的火焰帶強度較弱，不足以形成爆轟中心。隨著火焰的傳播，如圖5(b)的胞格2所示，寬度方向狹縫壁面上火焰帶發出的壓縮波在橫向傳播和反射后留下激波運動軌跡線，反射激波擾動火焰面形成圖5(c)的高速攝影圖2所示的橢圓圈中弧形凹陷火焰面，提高了火焰的燃燒速率，反過來火焰增強激波的能量。隨著反射激波累積強度的增強，距狹縫入口43～65 mm處出現弧形激波軌跡線和如圖5(c)的高速攝影圖2所示的弧形的火焰面。當弧形激波軌跡前出現細密胞格，表明出現過驅爆轟，此時過驅爆轟波速度為2 650 m/s。當狹縫寬度進一步減小到10 mm時，如圖5(c)的高速攝影圖3所示，狹縫壁面上沒有出現亮點，火焰燃燒的亮斑一直處于狹縫中間。當亮斑變為白熾色時，表明出現過爆，如圖5(b)的胞格3所示，距狹縫入口92～102 mm處出現似“火焰刷”狀的過爆激波軌跡線。3種寬度的狹縫內形成過爆后都衰減為穩定爆轟，速度穩定在約2 000 m/s。

值得注意的是，上述起爆距離的變化規律與大尺度管道內的DDT[1-2]過程以及M.H.Wu等[10]得到的常壓下毫米圓管內爆轟觸發距離的變化規律均相反。初始壓力為相對較低的21.0～30.0 kPa時，火焰燃燒的膨脹率較小，導致熱量釋放率較低，對火焰前沿未燃混氣的壓縮強度降低，正反饋機理作用減弱，而邊界層負位移效應的影響變得較顯著。結果表明，如果管道形狀和預混氣初始壓力不同，毫米狹縫和毫米圓管內的火焰發展變化規律差異較大。

2.2.2 35.0～50.0 kPa的初始壓力下狹縫寬度對起爆距離的影響

圖6 狹縫寬度對起爆距離的影響Fig.6 Initiation distance varying with gap width

初始壓力升高到35.0～50.0 kPa后，如圖6所示，起爆距離進一步縮短，大部分位于60 mm內，同時起爆距離隨狹縫寬度的變化規律產生差異。對比圖6與4可知：起爆距離隨狹縫寬度的增大，先縮短后增大，呈“V”形變化，這種趨勢一直持續到初始壓力為42.5 kPa。只是隨著初始壓力的升高，起爆距離隨狹縫寬度的增大先縮短后增大的趨勢越來越不明顯，即對應的曲線越來越平緩，初始壓力升高到45.0 kPa后，起爆距離隨狹縫寬度的增大基本保持不變。

以圖6中p0=35.0 kPa對應的曲線為例進行分析。圖7給出了該曲線對應的火焰速度、起爆階段胞格及高速攝影圖。從圖7(a)可知，狹縫內火焰初始速度都明顯增高，其中W=30 mm時火焰速度約為1 200 m/s，W=10,20 mm時火焰速度為1 800～2 000 m/s。對比圖7(c)和圖5(c)可知，初始壓力升高后，3種寬度的狹縫內火焰的亮度都明顯增強，火焰初始速度及發展方式的改變導致觸發距離的變化。對比圖7(b)的胞格1、圖7(c)的高速攝影圖1和圖5(b)的胞格1、圖5(c)的高速攝影圖可知，狹縫寬度為30 mm時，2種初始壓力下起爆方式基本相同，差別在于起爆的強度和距離不同，初始壓力越高，起爆強度越大而邊界層負位移效應越弱，導致起爆距離縮短。圖7(c)的高速攝影圖1中火焰仍然是先在狹縫側面形成2條亮帶，表明側面形成爆轟中心[18]。爆轟中心與狹縫中間的火焰面相遇后形成過驅爆轟，對應在圖7(b)的胞格1中的圓弧型和爆轟中心擴散形成的激波軌跡線。當W=20 mm時，起爆方式發生改變，并沒有出現如圖5(b)的胞格2所示的激波反射線。初始壓力升高后，火焰沒有在狹縫寬度方向的壁面上形成爆轟中心，而過驅爆轟直接發生在火焰面推進過程中，反映在圖7(b)的胞格2中的圓弧形過驅爆轟軌跡線。射流火焰進入狹縫后，隨著邊界層的發展，火焰加速過程雖受正反饋機理、活塞效應和壁面邊界層負位移效應的綜合影響，但相對于W=30 mm的狹縫，W=20 mm的狹縫內火焰鋒面的壓縮波在傳播和反射過程中歷時較短，正反饋相互作用強度增強，正反饋機理起主導作用，此時處于發展過程的邊界層負位移效應和活塞效應影響不大。相對于W=10 mm的狹縫，W=20 mm的狹縫內混氣量多，燃燒釋放率高。當狹縫寬度進一步降低到10 mm后，起爆方式和初始壓力為25.0 kPa時的基本相同，差別在于起爆距離變短。最后，3種狹縫寬度下，過驅爆轟波衰減為穩定爆轟波后，狹縫內火焰速度穩定在約2 200 m/s，而初始壓力為25.0 kPa時，火焰平均速度約2 000 m/s。這也表明初始壓力升高后，燃燒釋放的熱量增加，火焰平均傳播速度加快。

當壓力進一步升高到45.0～50.0 kPa后，起爆距離隨狹縫寬度的增大而基本保持不變，這主要是壓力升高后火焰加速的正反饋機理起主導作用，邊界層厚度減小使邊界層的影響越來越小。綜上所述，起爆距離隨初始壓力的變化較明顯，隨著壓力的升高，不同寬度的狹縫內起爆距離都明顯縮短。且不同寬度的狹縫之間起爆距離差距會愈來愈小，對應曲線會愈平緩，最終成為平行于橫坐標的直線。

圖7 p0=35.0 kPa時火焰速度、胞格及高速攝影圖Fig.7 Flame velocity, cell and high-speed imagings at p0=35.0 kPa

圖8 起爆距離隨初始壓力的變化Fig.8 Initiation distance varying with initial pressure

2.2.3 起爆距離隨初始壓力的變化規律

從以上分析可知，起爆距離與初始壓力和狹縫寬度等參數密切相關，表現在不同初始壓力時，狹縫寬度變化對起爆距離的影響呈現出不同的變化趨勢。為進一步揭示起爆距離變化的內在規律，圖8將相關參數進行量綱一化，其中橫坐標為環境壓力patm與初始壓力p0的比值，豎坐標為起爆距離LDID與狹縫橫截面當量直徑de之比。由圖8可知，當初始壓力和寬度改變時，點火空腔的柱狀弱點火源在進入空腔后擴散和膨脹后，由于正反饋機理、活塞效應及邊界層負位移效應之間的影響程度發生改變，導致起爆距離變化差異較大，表現為不同初壓和寬度狹縫內LDID/de隨patm/p0分別呈不同的曲線變化方式。K.Nagai等[12]擬合出起爆距離隨初始壓力變化的量綱一線性變化經驗公式為：LDID/de=αpatm/p0，且α≈30～70。對于化學當量比的H2/O2混氣，當高度H=1.0,2.0,5.0 mm時，α分別為50、40、40。但本文的實驗結果表明不同寬度狹縫內起爆距離隨初始壓力呈非線性變化趨勢，且變化規律無法擬合成統一的公式。

3 結 論

(1)在較低的初始壓力p0=21.0～30.0 kPa時，由于火焰燃燒速率低，邊界層負位移效應影響明顯，火焰傳播以及和壓力波相互作用時具有小尺度通道內火焰加速及DDT特征，爆轟起爆距離隨著狹縫寬度的增大而縮短。(2)當初始壓力升高后，邊界層的影響減弱，正反饋機理起主導作用。在p0=35.0～42.5 kPa時，起爆距離隨著狹縫寬度的增大先縮短后變長，且隨著壓力的升高，這種變化趨勢逐漸減弱，當初始壓力升高至45.0 kPa后，起爆距離隨狹縫寬度的增大而基本保持不變。在本實驗條件下，寬度為20 mm的狹縫內起爆距離最短。(3)在本實驗條件下，不同寬度的狹縫內起爆距離隨初始壓力的變化曲線差異較大。

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(責任編輯 張凌云)

Effects of initial pressure and gap width on detonation initiation distance in a narrow gap with millimeter-scale width

Zhang Penggang, Zhu Yuejin, Pan Zhenhua, Wang Qian

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,Jiangsu,China)

The detonation initiation distance for stoichiometric C2H4/O2mixture gas in a narrow gap was experimentally studied at the initial pressure of 5.0-50.0 kPa. The channels were formed by the 10, 20, 30 mm×1.0 mm cross-sections and 1 220 mm long, respectively. the initiation positions were determined by the soot records and the high-speed digital imagings. The influence of initial pressure and gap width on detonation initiation distance was analyzed. The results indicate that: (1) initiation distance decreases with the increase of gap width at the initial pressure of 21.0-30.0 kPa; (2) with the increase of gap width, initiation distance initially decreases and then increases at the initial pressure of 35.0-42.5 kPa, and remains unchanged at the initial pressure of 45.0-50.0 kPa; (3) the non-dimensional change curves between detonation initiation distance and initial pressure are different corresponding to the three different gap widths.

mechanics of explosion; initiation distance; soot records; micro-detonation; micro-combustion; narrow gap

10.11883/1001-1455(2016)04-0441-08

2015-01-09；

2015-04-16

國家自然科學基金項目(51306073,11402102);江蘇省自然科學基金項目(BK20130510,BK20140524)

張彭崗(1974— )，男，博士，講師;

朱躍進,zyjwind @163.com。

O381國標學科代碼：13035

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