管道內全阻塞障礙物對氣相爆轟波傳播特性的影響*

喻健良,張 東,閆興清

(大連理工大學化工機械與安全學院,遼寧 大連 116024)

管道內全阻塞障礙物對氣相爆轟波傳播特性的影響*

喻健良,張 東,閆興清

(大連理工大學化工機械與安全學院,遼寧 大連 116024)

建立了長2 800 mm、內徑為50 mm的圓管內爆轟波傳播實驗裝置，采用光電二極管探測火焰鋒面以獲得爆轟波的傳播速度，采用煙跡法記錄爆轟波的胞格結構。通過在管道不同位置設置阻塞率為1的聚丙烯薄膜，研究不同初始壓力下不同氬氣稀釋濃度的C2H2+2.5O2+nAr預混氣體爆轟波在通過全阻塞障礙物前后傳播速度及胞格結構的變化。結果表明，氣相爆轟波在達到穩態爆轟后，在通過全阻塞薄膜障礙物的過程中會產生2種不同的傳播形式：速度虧損和爆轟失效。氣相爆轟波穿過不同區域的傳播過程可以分為3個階段：穩態傳播階段、速度虧損階段或爆轟失效階段、過驅爆轟階段。

爆轟波;全阻塞障礙物;速度虧損;爆轟失效

可燃氣體爆炸一旦由爆燃轉變為爆轟，爆轟波將以數千米每秒的速度傳播，對生產安全帶來嚴重威脅。宏觀邊界條件是影響氣相爆轟波傳播特性的一個重要因素，深入研究邊界條件對爆轟波傳播特性的影響規律，是工作環境危險評價、事故預防與控制、事故災害演化的重要課題。

針對不同邊界對爆轟波傳播特性的影響目前已經開展了一些工作。J.A.Fay[1]較早對邊界層影響爆轟傳播進行了準確描述；J.H.S.Lee[2]開展了大量氣相爆轟實驗研究，涵蓋了不同邊界條件對氣相爆轟波在管道內傳播特性的探討。近年來，相關實驗研究逐漸分化為大尺度和微尺度兩個方面。S.Dorofeev等[3]實驗研究了大規模受限空間內氣相爆轟問題；R.K.Zipf等[4]、E.S.Oran等[5]測量了安裝有障礙物的巨型爆轟管道中CH4/air的爆轟參數，并開展了障礙物作用下天然氣與空氣混合物的爆燃轉爆轟(deflagration-to-detonation transition,DDT)實驗。雖然大尺度實驗參數更接近于工程領域，對實際應用具有很強的借鑒意義，但是較耗時、耗力、耗資。針對這種情況，研究人員利用微米級狹縫作為邊界條件，將爆轟問題的研究深入至火焰特征尺寸這一微小尺度。Wu Minghsun等[6]證實，在狹窄平板狹縫中火焰依然可以加速并完成DDT過程。在微米級流道中，流體運動速度在相當大范圍內都將呈現強制層流，故此種尺度上的實驗研究對探索爆轟機理意義重大。

然而，現有爆轟波傳播過程中邊界條件影響的研究集中在阻塞率(rb)小于1的情況[7-10]，爆轟波繞過障礙物或通過粗糙壁面的機理研究也集中在繞射與反射問題上[11]。但是，由于爆轟產生的超壓極高，爆轟波很有可能摧毀障礙物后再次引燃障礙物后的可燃氣體繼續傳播。此特殊條件下爆轟波通過全阻塞障礙物前后的傳播特性還屬未知。另外，非穩態氣體的氣相爆轟波波頭結構并不規則，但在加入高濃度惰性氣體后，未燃氣體性質與Zel’dovich-von Neumann-D?ring(ZND)模型條件十分接近，爆轟波將出現規整的波頭結構。

基于此，本文中，以不同氬氣稀釋濃度的C2H2+2.5O2+nAr預混氣體作為研究對象，通過建立圓形管道內爆轟波傳播實驗裝置，研究在不同初始壓力下穩態爆轟波通過薄膜障礙物前后傳播速度及胞格結構的變化。

1 實驗裝置

1.1 裝置結構

實驗裝置流程如圖1所示，由爆轟管道、充排氣系統、控制與采集系統3部分組成。爆轟管道為內徑50 mm、壁厚3.5 mm、總長2 800 mm的B系列無縫鋼管，由一段驅動段(長1 300 mm)和兩段測試段(分別長900、600 mm)組成，管段之間通過法蘭A、B連接。驅動段起始端采用點火能量約為200 J的電點火頭點火，并設置長600 mm、螺距50 mm的Shchelkin螺旋管(阻塞率0.43)以使點火后火焰加速，使爆燃迅速轉變為爆轟。

圖1 全阻塞障礙物氣相爆轟實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus for gaseous detonation with blocking obstacles

采用雙層聚丙烯薄膜(靜態破裂壓力約為33 kPa)作為全阻塞障礙物，布置于驅動段與測試段法蘭A或兩測試段法蘭B處。需要說明的是，當在法蘭B處安裝障礙物時，為了區分驅動段與測試段，在A處同時安裝單層薄膜，即管道被薄膜分為驅動段、測試段1、測試段2等3個區域。

驅動段內始終采用C2H2+2.5O2預混氣體作為驅動氣，采用不同氬氣稀釋濃度的C2H2+2.5O2+nAr預混氣體作為測試氣體。需要說明的是，當A處安裝障礙物時，薄膜前的驅動氣體一直為驅動氣不能變換。B處安裝障礙物時，驅動段內氣體依然不變，但測試段1與測試段2內氣體的氬氣稀釋濃度可變化。采用分壓法配置預混氣體，并充入驅動氣罐和預混氣罐內。實驗開始前，對管路抽真空至0.5 kPa(絕對壓力)，然后向驅動段及測試段充入驅動氣及預混氣。每次實驗結束后用氬氣吹掃管道。

圖2 光電二極管電壓上升曲線Fig.2 Voltage rise curves of photodiodes

圖3 高氬氣稀釋濃度下穩態氣體爆轟波胞格Fig.3 Cellular structures of stable mixtures with high argon concentration

圖4 爆轟失效條件下的煙熏薄膜Fig.4 Smoke film under detonation failure

1.2 測試及采集方法

預混氣體發生爆轟時，理論上爆轟波傳播速度與化學反應區(火焰鋒面)傳播速度數值相等。因此，通過測量火焰鋒面，即可獲得爆轟波傳播速度。火焰鋒面的測量通過光敏二極管實現。在管道壁面距點火端1 200 mm至管道末端以100 mm間距(N1～N3間距為150 mm)布置光電二極管N1～N16，見圖1。當爆轟波通過光電二級管時，緊隨爆轟波的火焰鋒面向外輻射可見光激發光電二極管，采集系統會采集到電壓上升信號。通過獲得相鄰測點的時間，即可計算相鄰測點中間位置平均化學反應區速度。

實驗時發現，如圖2所示，由于火焰光的輻射，光電二極管會在火焰鋒面到達該測點位置前產生微弱電壓信號。隨著火焰鋒面的靠近，電壓信號逐漸增強。因此，若采用較低電壓值作為火焰鋒面到達該測點的判定依據偏差較大。并且當電壓信號超過2 500 mV時，電壓信號響應逐漸遲緩。綜合考慮上述因素，采用U=2 000 mV作為火焰鋒面到達該測點的時間判據，如圖2所示。獲得火焰鋒面到達相鄰兩側點的時間差后，即可依據測點間距計算出爆轟波傳播速度。為保證實驗重復性，每組實驗均重復3次以上。使用計算機控制點火與數據采集過程，利用16通道高頻數據采集裝置采集光電二級管的電壓信號，單通道采樣頻率為500 kS/s。

利用煙跡法記錄爆轟波胞格結構。在管道內安裝煙熏過的耐高溫聚丙烯薄膜可以獲得爆轟波胞格結構，見圖3(p0=8 kPa, C2H2+2.5O2+80%Ar)。通過胞格結構，可進一步分析爆轟波ZND結構、胞格尺寸λ、爆轟失效判據等問題。當爆轟失效時，煙熏薄膜上無明顯胞格，僅出現橫紋痕跡，見圖4。

2 結果分析及討論

2.1 管道內驅動段爆轟波自持傳播

管道內薄膜障礙物前預混氣體實現穩定自持爆轟是本實驗的基礎條件。穩定自持爆轟的形成可以通過障礙物前各測點爆轟波平均速度與C-J(Chapman-Jouguet)理論爆轟速度對比判斷。當薄膜障礙物布置在A位置時，選取測點為N1、N2；當薄膜障礙物布置在B位置時，選擇測點為N7～N10。表1為在管道內不同位置(A或B)布置障礙物時，不同初始壓力p0、薄膜后不同氬氣稀釋濃度下障礙物前各測點爆轟波平均傳播速度v與理論爆轟C-J速度vCJ對比。

表1 薄膜前爆轟波傳播速度實驗值與理論值對比

由表1可知，在不同實驗參數下，無論障礙物布置在A或B處，薄膜前各測點爆轟波平均速度與C-J理論速度的比值在0.97～1.00之間。由于內徑50 mm管道內爆轟臨界壓力pc約為3.0 kPa，這說明當初始壓力(30～50 kPa)遠高于臨界壓力時，爆轟波將以穩態形式傳播，傳播速度與C-J爆轟速度vCJ基本相等。因此，本實驗條件下氣相爆轟波達到薄膜障礙物前為穩態傳播狀態。高遠等[12]研究發現，即使在較低初始壓力下，以快速波動式、結巴式傳播的爆轟波與vCJ的比值也在0.80～1.00之間。因此，絕大部分情況下管道內的一維氣相爆轟速度可以利用C-J爆轟理論進行精準預測。

2.2 全阻塞障礙物對管道內穩態爆轟波的影響

圖5 聚丙烯薄膜A后的爆轟波速度特性Fig.5 Velocity characteristics of detonation wave after polypropylene film A

當薄膜障礙物安裝在法蘭A處，薄膜前采用C2H2+2.5O2預混氣體作為驅動氣，薄膜后采用不同氬氣稀釋濃度的C2H2+2.5O2+nAr預混氣體作為測試氣體。圖5為氬氣稀釋濃度為30%下，初始壓力為50、10 kPa時爆轟管道內不同位置爆轟波傳播速度的變化。由圖5可知，穩態自持爆轟波傳播至A處障礙物時，傳播速度急劇下降至最低值約740 m/s，該速度顯著低于當地聲速，爆轟波解耦失效，隨后重新加速再次達到C-J爆轟速度。當初始壓力為50 kPa時，速度最低值vmin約為1 850 m/s，爆轟波速度下降幅度不大。實驗發現，連續降低初始壓力或提高氬氣稀釋濃度，薄膜作用下爆轟波速度最小值vmin不斷減小。當vmin達到某一臨界值時，vmin減小幅度出現顯著的不連續。由此推斷，當初始壓力或氬氣稀釋濃度達到一定值時，爆轟波在薄膜后的傳播形式發生了改變。

在薄膜障礙物A后管道內壁布置煙膜，圖6、7分別為氬氣稀釋濃度為30%的條件下，初始壓力為50、10 kPa時記錄到的胞格結構。圖6所示的胞格結構與爆轟波不穩定傳播時完全不同，爆轟波胞格似乎向“氣泡”轉化。當爆轟波通過聚丙烯薄膜時，爆轟波的ZND結構遭受沖擊，爆轟波胞格變得雜亂。煙膜未捕捉到爆轟失效證據，說明爆轟波以速度虧損形式傳播。當初始壓力為10 kPa時，見圖7，爆轟波穿過薄膜障礙物時，爆轟波胞格結構消失，爆轟波結構解耦并失效。在一段距離后，爆轟波再次形成。

圖6 速度虧損過程的煙熏薄膜痕跡Fig.6 Smoke film of velocity deficit

圖7 DDT過程的煙熏薄膜Fig.7 Smoke film of deflagration-to-detonation transition

在兩段測試段間法蘭B處安裝薄膜障礙物，在薄膜前后p0=10～50 kPa條件下使用n=(0～50)%氬氣稀釋濃度的預混氣體開展實驗，獲得爆轟波通過障礙物后的最小速度vmin，如表2所示。在速度最小測點附近安裝煙熏薄膜并重復實驗，利用獲得的爆轟波胞格結構確定爆轟是否失效，并用紅線區分速度虧損與爆轟失效2種結果。由表2可知，在較高氬氣稀釋濃度或較低實驗初始壓力下，爆轟波通過薄膜障礙物后會失效。

因此，爆轟波通過全薄膜障礙物(rb=1)的傳播形式分為2種：(1)低初始壓力或高氬氣稀釋濃度下，發生爆轟失效；(2)高初始壓力或低氬氣稀釋濃度下，發生速度虧損?，F有研究表明，爆轟波通過rb<1的障礙物的傳播形式也分為2種:(1)速度下降導致爆轟失效；(2)障礙物或粗糙壁面為爆轟低速傳播提供一種機制。對比2種結果可知，爆轟波穿過全阻塞障礙物后的傳播形式與固定障礙物類似。

2.3 重新加速后的過驅爆轟階段

爆轟波穿過障礙物后，原有的自持爆轟現象迅速衰減，傳播速度下降，爆轟失效或者發生速度虧損后的低速爆轟波將在一段距離內重新達到自持爆轟，如圖5所示。無論是經歷DDT過程或者以速度虧損過程達成的自持爆轟都會形成一個短暫的過驅爆轟。但這2種情況下的傳播機制并不相同。(1)對于DDT過程，引起過驅爆震現象相關機理基本上已經達成共識[2]：化學反應區內湍流程度顯著增加，化學反應區的局部爆炸中心重新產生沖擊波，通過由能量釋放導致的激波放大機制，沖擊波經過一個放大過程形成過驅爆震波。(2)對于速度虧損形式傳播的爆轟波，其傳播速度顯著小于vCJ。全阻塞障礙物不能持續作用于低速爆轟，爆轟低速傳播無法維持，其傳播速度將在很短距離內再次達到vCJ并形成短暫的過驅爆轟過程，如圖5所示。

圖8 聚丙烯薄膜B前后的爆轟波速度特性Fig.8 Velocity characteristics of detonation wave near polypropylene film B

2.4 氣相爆轟波在全阻塞管道內的傳播過程

預混氣體被點燃后，氣相爆轟波在管道內全阻塞障礙物前后的傳播可分為3個階段，如圖8所示。階段1：預混氣體在驅動段迅速達到自持爆轟。爆轟波在管道內以vCJ前進，此階段為爆轟波的自持傳播階段。階段2：爆轟波在障礙物阻擋作用下速度迅速降低。根據速度降低后的行為，可分為2種情況：(1)爆轟波波頭受到障礙物沖擊但燃燒機制并未失效，爆轟以小于vCJ的速度低速傳播，為速度虧損階段；(2)爆轟波受到沖擊之后，爆轟波波頭結構無法維持，爆轟波失效并將經歷DDT過程，此階段為爆轟失效階段。階段3：無論爆轟波是否發生解耦，爆轟波在管道內再次形成穩態爆轟之前都會發生短暫的過驅爆轟，此階段為過驅爆轟階段。經過這3個階段之后，爆轟波速度重新穩定在vCJ附近。氣相爆轟完成了從一個預混區域向另一個預混區域的傳播。

3 結 論

在圓形管道內開展了全阻塞障礙物對爆轟波傳播影響的實驗研究，相關結論如下:(1)在遠離失效條件下，C-J爆轟理論是計算爆轟波傳播速度的理想方法;(2)爆轟波穿過全阻塞薄膜障礙物后的傳播形式有爆轟失效、速度虧損2種，與爆轟波穿過固定障礙物傳播特性類似;(3)管道內穩態氣相爆轟波通過全阻塞障礙物過程可分為3個階段,穩態傳播階段、速度虧損或爆轟失效階段、過驅爆轟階段。

若將管道的驅動段看作點火源，以速度虧損形式和爆轟失效形式形成的爆轟與爆轟起爆中的直接起爆過程和DDT過程非常類似。由此推斷爆轟直接起爆過程中很可能存在著某些因素與爆轟波在速度虧損條件下傳播相關。但是，爆轟波在此類速度虧損條件下傳播的相關燃燒與傳播機理問題并未解決[13]。相關問題的解決仍需研究不斷深入。

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(責任編輯 張凌云)

Influences of blocked obstacles on propagation of gaseous detonation in pipeline

Yu Jianliang, Zhang Dong, Yan Xingqing

(SchoolofChemicalMachineryandSecurity,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)

An experimental circular pipeline with a length of 2 800 mm and a diameter of 50 mm was established to study the gaseous detonation propagation. Photodiode detectors were used to obtain the flame propagation velocity and the smoke film method to get the cellular structures. Polypropylene films with the blocking rate of 1.0 were set in the pipeline to investigate the characteristics of detonation velocity and cellular structures. Gaseous mixtures of C2H2+ 2.5O2diluted by argon in different volumes were used as experimental medium. The initial pressures varied in experiments. Results show that there are two different propagation forms after the detonation wave passes through the film obstacles, including velocity deficit and detonation failure. The propagation of gaseous detonation wave in blocked obstructions can be divided into three stages: stage of steady propagation, stage of velocity deficit or detonation failure and stage of overdriven detonation.

detonation wave; blocking obstacles; velocity deficit; detonation failure

10.11883/1001-1455(2017)03-0447-06

2015-09-17；

2015-12-25

國家自然科學基金項目(51574056)

喻健良(1963— )，男，博士，教授，博士生導師， yujianliang@dlut.edu.cn。

O381 國標學科代碼： 13035

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