N2O/C2H4/CO2預混氣體火焰傳播及爆炸特性的試驗研究

曾祥敏，張玉剛，蔣榕培，李智鵬，徐 森,4，李玉艷，劉大斌

(1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094；2.徐州市公安局，江蘇 徐州 221000；3.北京航天試驗研究所，北京 100074；4. 國家民用爆破器材質量監督檢驗中心，江蘇 南京 210094)

引 言

氧化亞氮(N2O)因具有安全、無毒、多模塊、自增壓等優良特性，被視為極具發展潛力的新一代氧化劑[1-2]。但試驗發現，N2O易與可燃氣體發生爆炸，在特定條件下出現爆燃轉爆轟，引發嚴重事故，限制了其安全使用[3-4]。因此，研究N2O與可燃氣體的燃燒和爆炸特性，可對N2O作為氧化劑的安全應用提供參考。

國內外學者已開展N2O與可燃氣體燃燒特性的相關研究。如Bane等[5]研究了化學當量比及經氮氣稀釋的N2O/H2層流燃燒速度和化學動力學機理；Pfahl等[6]測量了經N2、CH4、NH3和空氣稀釋的H2/N2O混合氣體的爆轟胞格寬度、爆轟速度和壓力，研究不同稀釋氣體對H2/N2O爆轟性能的影響；Mével等[7]測量了空氣稀釋條件下在球形彈體中H2/N2O的火焰速度，并進行了化學動力學模擬；Zhang等[8]系統研究了C2H2/N2O/空氣的爆轟動態參數、臨界直徑和臨界點火能量。對N2O與C3H8、C2H4、C2H5OH等混合組成的推進劑國內外已有大量研究，其中N2O與C2H4復合制備的推進劑因具有優良的點火性能和能量性能而備受關注[1-2]。Venkatesh等[4,9]在內徑10cm、長62cm的合金鋼管中進行了當量比N2O/C2H4預混氣體高壓燃燒試驗，研究初始壓力對混合氣體爆壓、爆速和感應距離的影響，并用火焰加速理論、爆轟理論和爆燃轉爆轟機理對試驗結果展開討論；Zhang等[10]在4、14、36mm的細管中進行當量比N2O/C2H4混合氣體燃燒試驗，研究了不同管徑和不同壓力對混合氣體燃燒速度的影響，獲得了爆轟速度與初始壓力、管徑之間的關系；Ovileanu等[11]進行了經體積分數60%的 N2稀釋的N2O/C2H4爆炸試驗，研究了混合體系的最大爆炸壓力和壓力上升速率。N2O基推進劑在國際上已有應用，但自燃和回火問題仍未解決[12-13]，而加入惰性氣體能有效改善混合體系的燃燒和爆炸性能。

本研究在化學當量比的N2O/C2H4中加入惰性氣體CO2，采用高速攝影儀和壓力傳感器測量N2O/C2H4/CO2預混氣體的火焰速度、超壓、沖擊波速度等，探究N2O/C2H4/CO2火焰傳播和爆轟特性，為解決N2O基推進劑的自燃和防回火問題提供參考。

1 試 驗

為研究推進劑在管道中的燃燒和爆轟行為，加入障礙物以提高反應的進程，試驗在帶有加速裝置的燃燒管中進行。試驗系統見圖1，主要由燃燒管、傳感器、數字轉換器、數據采集器、高速攝影儀和電阻絲等組成。燃燒管為內含加速環，長200cm、內徑1.5cm的透明有機玻璃管，其中加速環為長30cm、外徑1.5cm金屬絲繞成的螺旋環。點火位于燃燒管緊鄰加速環的一端，分別在距點火10、40、60、80、100、120、140和160cm處安裝傳感器，根據傳感器距離和壓力波傳播的時間，可以計算沖擊波速度。高速攝影儀在距燃燒管5m處拍攝火焰，根據攝影儀拍攝速度和火焰鋒面與點火處的距離(R)可計算出火焰速度。傳感器采用PCB高頻壓力傳感器，數據采集儀采用Adlink Technology公司開發的PXI-8565采集器,該系統共有8個并行通道，每通道頻響為1MHz。高速攝影儀采用日本Photron公司生產的“Fastcam”系列攝影儀，拍攝速度可達20000f/s。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

為研究N2O/C2H4/CO2預混氣體的爆炸特性又不顯著降低其能量，本試驗中混合氣體N2O、C2H4、CO2質量比為9∶1∶1，其中N2O和C2H4化學當量比約為1。混合氣體采用分壓法配制，實驗前先將燃燒管抽真空，然后充入混合氣體，試驗時管內為常壓，燃燒管出口端開放無約束。點火采用電壓20V、電流10A的直流電源，電阻絲通電點燃混合氣體，燃燒波傳播到第一個傳感器(10cm處)時觸發數據采集儀，記錄超壓及壓力波到達各個傳感器的時間；點火同時高速攝影儀拍攝火焰。

2 結果與討論

2.1 火焰傳播特征

在0.2、0.4、0.6、0.8、1.2和1.4ms時N2O/C2H4/CO2預混氣體的火焰高速攝影見圖2，拍攝速度為10000f/s(間隔時間0.1ms)，照片以出現可見火焰作為0時刻。

圖2 火焰高速攝影照片(10000f/s)Fig.2 High speed digital images of flame(10000f/s)

從圖2可以看出，0.2ms時火焰居中且較小，呈黃色，縱向寬度且較小；隨著反應的進行，火焰擴散到整個橫截面，呈亮白色，縱向寬度增大，火焰陣面形成對稱的Tulip結構，且火焰充滿已燃區域；1.4ms時火焰鋒面到達燃燒管末端，火焰擴散至燃燒管外，并充滿已燃區域。

火焰鋒面的位移曲線和速度曲線見圖3。

圖3 火焰鋒面位移曲線和速度曲線Fig.3 Displacement curve and velocity curve of flame front

由圖3(a)可知，火焰鋒面到達燃燒環末端的距離先緩慢增加，0.4ms后快速增加，到達200cm后減慢。由圖3(b)可知，點火初期火焰速度從120m/s增加到350m/s，然后快速增長，0.7ms時達到最大，略微減小后以相對穩定的速度在燃燒管中傳播，1.2ms后快速減小。火焰在燃燒管中可大致分為點火期、加速期、穩定傳播期和衰減期4個階段：電源接通后預混氣體受熱被點燃，火焰開始形成，速度慢，為點火期；火焰形成后經過螺旋環，湍流加劇，火焰加速，此階段為加速期；隨后螺旋環加速效果結束，火焰以相對穩定的速度在燃燒環中傳播，此階段為穩定傳播期；當火焰傳播至燃燒管末端時受到的約束減弱，同時預混氣體濃度減小，火焰速度降低，此階段為衰減期。結合圖3可知，火焰鋒面到達燃燒環末端30cm處的時間為0.541ms，而在0.541ms后火焰繼續加速，0.7ms時達到最大速度2235.2m/s，然后速度略有減小。說明火焰經過螺旋環后，形成的湍流對火焰仍存在持續的加速作用，0.7ms持續加速作用結束。

2.2 超壓成長特征

圖4為8個傳感器的壓力曲線。

圖4 距離點火不同位置處的壓力曲線Fig.4 Pressure curves in different positions from ignition

從圖4可以看出，10cm處超壓先緩慢上升，再快速上升至最大值，壓力變化呈漸變，壓力正在成長，傳感器壓力存在一個持續約0.1ms的高壓狀態，說明此處存在具有一定長度的反應區，這是因為預混氣體點火后還處于燃燒階段，燃燒產物正在膨脹，與喻健良等[14]的試驗結果一致，結合火焰成長過程，預混氣體正在由爆燃轉向爆轟。其余7個傳感器超壓都陡然上升，然后有規律地波動衰減，表明燃燒管中出現了沖擊波，爆燃已經轉化為爆轟，并在管中傳播。傳感器壓力在衰減過程中出現上升的余波，然后再次逐漸衰減，這是因為超壓沿燃燒管向前傳播時遇到未反應氣體，沖擊波發生反射，回傳的壓力導致余波出現，回傳余波的波動程度與首次出現的壓力變化相對應，即超壓漸變時，回傳波也表現為漸變；首次超壓突變時，回傳波也表現為突變。

2.3 爆轟特性分析

用氣體爆炸C-J理論計算預混氣體的爆轟參數[15]，計算過程如下：

不考慮爆炸產物解離，首先根據試驗配方寫出預混氣體爆轟的反應方程式：

5.73 N2O + C2H4+ 0.64 CO2→5.73 N2+

2.36 CO2+ 0.27 CO + 2 H2O + 1715.56kJ

然后根據爆炸產物的平均熱容計算爆溫：

∑cVi= 242.95 + 350.25×10-4t

t=4342.63(K)

Td=t+273=4615.63(K)

式中：t為反應釋放的熱量使爆炸產物升高的溫度；Td為混合氣體按爆熱計算的爆炸溫度，實際爆炸中需要進一步修正：

式中：γ為Td時爆炸產物的絕熱常數；T2為修正后的爆溫。

根據爆溫計算爆速：

根據爆速計算爆壓：

式中：ρ0為初始反應物的密度。

經計算，試驗條件下N2O/C2H4/CO2預混氣體的C-J理論爆速為2366.75m/s，理論爆壓為4.26MPa，將理論計算與試驗結果進行對比，不同位置峰值壓力變化曲線見圖5。距點火10cm處峰值壓力明顯低于C-J理論值，這是因為預混氣體剛開始反應，火焰還處于爆燃階段，壓力還在成長，未形成沖擊波。其余與理論值相差不大，其中100cm處壓力高于理論值，3次試驗結果一致，其中最大壓力為4.66MPa。這是因為沖擊波在向前傳播時，不斷壓縮和加熱未燃氣體，預混氣體在此處反應時的初始壓力高于燃燒管初始壓力，而在此處產生過爆，試驗結果與Venkatesh等[4]的研究結果一致。

圖5 不同位置峰值壓力曲線Fig.5 Peak pressure value curves at different positions

預混氣體火焰速度、沖擊波速度、理論速度(DC-J)與點火距離的關系見圖6。

圖6 火焰、沖擊波和C-J速度與點火距離的關系曲線Fig.6 Relation curves of flame, shock wave and C-J velocity with ignition distance

從圖6可以看出，最大沖擊波速度出現在距點火距離140～160cm之間，為2247m/s；除90cm處速度略小外，沖擊波速度穩定并與火焰穩定速度保持一致，燃燒管內形成爆轟，爆轟波以2000～2250m/s向未燃區傳播。在距點火距離90cm外速度減小是因為燃燒環的持續作用消失、湍流減弱等造成沖擊波出現波動。火焰燃燒的最大速度和爆轟波最大速度均小于預混氣體C-J理論爆速，這是試驗中燃燒管的約束等試驗條件造成的。最大火焰速度和最大沖擊波速度與C-J理論爆轟速度的偏差分別為5.54%和5.1%，試驗結果與理論計算結果基本一致。

3 結 論

(1)預混氣體在燃燒管內快速燃燒，火焰呈對稱的Tulip結構，在燃燒管中可分為點火期、加速期、穩定傳播期和衰減期4個階段。

(2)預混氣體在燃燒管出現了爆燃轉爆轟，爆轟波在燃燒管中傳播時遇到未燃氣體，沖擊波發生反射出現回傳余波，余波的壓力變化與初次出現的壓力變化規律一致。穩定爆壓與C-J理論爆壓相差不大，最大爆轟壓力為4.66MPa。

(3)最大火焰速度為2235.2m/s，最大沖擊波速度為2247m/s，與C-J理論爆轟速度的偏差分別為5.54%和5.1%，試驗結果與理論計算基本一致。