火焰在環形通道內形態演變的實驗研究

楊懷遠， 張彭崗， 潘振華

(江蘇大學能源與動力工程學院， 鎮江 212013)

近年來，爆轟波在航空推進方面的應用已受到學界廣泛關注[1-4]，爆轟起爆是爆轟發動機最關鍵的技術之一，直接決定著發動機的推進性能。關于爆轟起爆有兩種主要的方式：直接起爆和爆燃向爆轟轉捩(deflagration to detonation transition, DDT)[5]。相比直接起爆，DDT過程所需的起爆能量更少。前人對DDT的研究大多是在直通道中進行的[6-7]。然而，對彎曲通道而言，外壁面的收斂效應以及內壁面的發散效應均使得彎曲通道中的DDT過程比直通道中更加復雜。由于彎曲通道無論在工業通道中還是在推進系統中都是一種比較常見的幾何形式，因此研究曲率對火焰傳播的影響是有必要的。

前人通過實驗研究和數值模擬等方法研究了彎曲通道內火焰的傳播。Zhou等[8]采用高速攝影以及數值方法觀察到彎管效應，即火焰在彎曲通道的前45°區域內脫離內外壁面，討論了位于內壁附近沿流動方向的渦對與位于外壁附近的高壓區對火焰脫落的影響。并討論了火焰作為推力源誘導出來的流場與火焰相互作用，造成火焰前鋒壓力不均勻分布，產生郁金香火焰的機理。Sato等[9]揭示了在彎曲通道內，朝向開口端流動的未燃氣體的性質決定彎曲通道內火焰形態變化，彎曲通道內火焰速度的瞬時增加主要是由內壁附近未燃混合氣較高的軸向速度引起的。Xiao等[10]采用高速紋影技術和數值模擬方法發現燃燒室的彎曲效應對火焰動力學過程有重要影響，彎曲通道中郁金香火焰不同于直通道，在傳播中表現為下部的舌尖占據主導作用，而上部舌尖則受到抑制，同時彎曲效應也能增加火焰內部的不穩定性。何學超等[11]采用高速紋影技術與離子探針技術也觀察到相似的火焰陣面畸變現象，并揭示了彎管內部的多波疊加與湍流是造成火焰速度脈動振蕩的原因。Najim等[12]通過對彎曲定容通道內等當量比甲烷/空氣預混火焰傳播開展實驗和數值研究，發現通道幾何曲率對火焰演變有決定性影響。由于火焰鋒面，火焰誘導流動和壓力場之間的相互作用，郁金香火焰經歷了直通道所沒有的從凸型到凹型的轉化。對于彎曲通道對DDT的影響，前人關注較少。Blanchard等[13]在包含90°彎曲段的封閉通道系統內設置障礙物，利用甲烷、丙烷、乙烯和氫氣/氧氣混合氣體開展關于爆轟的實驗研究，發現彎曲通道可以增加火焰的速度和過壓程度，進而縮短DDT起爆距離。

上述研究主要針對的是直管段與彎曲段相結合的系統內，火焰傳播的情況，這樣會造成額外火焰加速以及附加DDT的問題。因此，采用含有270°彎曲范圍的環形通道對火焰傳播的過程進行詳細描述。不規則胞格模式以及被Ar稀釋的規則胞格模式這兩種混合氣系統均在實驗中得到測試。旨在闡明環形通道中火焰傳播的特征參數變化，以及舌形火焰與邊界層之間發生的相互作用，并揭示DDT起爆距離和初始壓力之間的關系。

1 實驗系統

實驗通道由彎曲段Ⅰ和附加直管段Ⅱ組成，彎曲段周向角度范圍為270°，附加直管段長度為880 mm，直管段的矩形橫截面與彎曲段的橫截面相一致。通道內徑175 mm，外徑225 mm。混合氣由環形通道封閉端處的高壓電極絲點燃，火焰在環形通道內沿順時針方向傳播，最終沖破位于附加直管段端口處密封的鋁箔泄出?？梢暬耐ǖ劳獍逵梢粚?40 mm寬的聚碳酸酯薄板組成，便于捕捉管內火焰傳播過程，中間的聚碳酸酯墊片單側寬度為45 mm，厚度為4 mm，與外板裝配完畢之后可形成一塊橫截面尺寸為4 mm×50 mm的燃燒室空間。實驗設備的示意如圖1所示。

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

本實驗測試了兩組爆轟氣體，C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar 和 C2H4+ 3O2?；旌蠚怏w在充入通道之前，首先依據分壓力法充入預混瓶中，并放置至少24 h以確保氣體預混的均勻性。每次試驗中實驗通道的真空度至少要抽至0.1 kPa以下，才可充入實驗預混氣使通道內部達到所需初始壓力p0，初始壓力p0由一精密真空計監測(OMEGA HHP 242-015A, 0～15 psi)，其精度為滿量程的±0.10%。通道內火焰傳播由高速攝像機記錄(Photron FASTCAM SA-Z)，其幀率為120 000 幀/s。為確定爆轟是否已起爆，可以將測得的局部速度與經過Gorden-Mcbride[14]準則計算出來的C-J (Chapman-Jougue)爆轟速度DCJ進行對比。火焰速度的測定方法已于Pan等[15-16]研究中詳細描述。為確保實驗結果的可靠性，實驗在相同初始條件下重復測試至少3次。

2 結果與討論

圖2展示了在環形通道中，用高速攝影方法得到的火焰傳播過程典型形態的時序圖，分別采用C2H4+3O2與C2H2+2.5O2+3.5Ar混合氣體在初始壓力20 kPa條件下進行實驗。以高速攝影機首次捕捉到可見電火花的時刻作為燃燒始點，圖中依次選取了火焰傳播過程中最具代表性的形態，描述了環形通道內火焰發展的重要階段，以及火焰加速與向爆轟轉捩過程中的流動特點。在火焰發展的前半階段，兩種系統內火焰形態變化過程接近，可以一起討論。以C2H4+ 3O2一組為例，在開始時刻，球形火焰由弱點火產生，在環形通道內向四周自由膨脹，如圖2(a)①所示，火焰邊緣逐漸向通道的兩側壁面靠近但并未與其接觸。接著，由于火焰的側邊接觸到壁面，火焰表面積有所減少。同時，火焰鋒面沿著通道傳播路徑照常加速，使火焰由初始時刻的球形轉變為手指形，如圖2(a)②所示。隨后，由于環形通道特殊的幾何條件，手指形火焰下部的邊緣沿著內壁傳播，上部的邊緣沿著外壁傳播，相同時間內火焰在半徑較小的內壁得以轉過更大角度，呈現出下部領先于上部的趨勢，這導致火焰鋒面逐漸傾斜，由手指形逐漸拉長為舌形。拉長的火焰舌尖持續朝著周向以及橫向擴展，火焰鋒面傾斜程度逐漸增大，因此這一時間段內火焰表面積有顯著增長，如圖2(a)③④所示。兩種系統內火焰發展的區別主要體現在后半階段的局部爆炸方式上。對于C2H4+ 3O2系統，在圖2(a)⑤⑥中，由于在舌形火焰發展過程中，火焰內部存在不穩定性的影響，火焰鋒面形成了較為明顯的皺褶。根據Thomas等[17]和Khokhlov等[18]提出的理論，沖擊波和火焰之間的反復相互作用會導致RM(Richtmyer-Meshkov)不穩定性，使火焰表面遭到破壞，促進了局部混合并提高燃燒速率，因此溫度和壓力顯著升高，不穩定性增大。接下來，在環形通道外壁面靠近舌形火焰頭部位置處可以觀察到局部爆炸，如圖2(a)⑦所示。外壁附近與爆炸激波耦合的火焰頭部追趕上了之前在內壁附近領先的火焰頭部，整個爆轟波最終形成了，如圖2(a)⑧所示。對于C2H2+2.5O2+3.5Ar系統，由于有Ar的稀釋使混合氣爆轟敏感性降低[19-20]，爆轟前沿的不穩定性受到抑制，舌形火焰在其前方產生激波，激波在火焰邊緣與外壁狹小的區域發生合并、重疊，并與外壁作用產生高溫高壓，最終在遠離火焰邊緣的外壁處實現沖擊波聚焦點火引發的局部爆炸，如圖2(b)⑧所示形成了爆轟。

圖2 環形通道在初始壓力為20 kPa條件下實驗所得高速攝影時序圖Fig.2 Experimental high-speed image sequence of the flame propagation in the curved section channel at the initial pressure of 20 kPa

圖3進一步描述了圖2(a)中火焰的傳播速度以及表面積隨時間的變化情況，依據火焰速度演變將全過程分為四個階段，通道中線上的火焰傳播速度以及火焰表面積分別用Dcen和Af表示。在第一階段，火焰速度最大值僅有約154 m/s(實驗室坐標下)，此時處于最初的球狀火焰階段，表面積Af逐漸增大。這一過程屬于火焰無受限的自由膨脹。在火焰未接觸到管道壁面前，火焰的面積是逐漸增大的。與火焰燃燒面積密切相關的火焰燃燒速度持續增大，這使得火焰加速向四周膨脹。這一過程對應了圖3中Ⅰ階段的火焰速度Dcen的線性增加。第二階段，由于火焰邊緣接觸到兩側的壁面，冷壁面導致管道附近火焰淬熄，此時火焰表面積Af顯著減少，導致火焰速度Dcen下降，對應圖3中Ⅱ階段。在第三階段，火焰在環形通道內的進一步傳播，形成稍向內壁面傾斜的指形火焰，速度緩慢加速至250 m/s附近。這一過程的火焰陣面由于Landau-Darrieus(L-D)不穩定性引起了火焰面出現皺褶，這會進一步增大火焰陣面面積，使火焰初期進一步加速傳播。隨后，內壁面附近火焰速度顯著高于外壁面，此時手指形火焰發展為舌形火焰，表面積Af在此階段后期達到了全過程最大值，約為2 415 mm2。在火焰傳播速度與火焰表面積之間形成正反饋機制。舌形火焰的鋒面隨著傳播被逐漸拉長，使得火焰表面積增大，火焰與火焰前方未燃氣體進一步充分接觸，增強了燃燒反應速率以及火焰前方激波強度，火焰傳播速度能夠持續增大。此時火焰速度達到了692 m/s。在第Ⅲ階段后期，受到外壁面的約束限制，雖然火焰區域仍在持續擴大，但當火焰外側邊緣接觸到外壁面之后，盡管火焰表面積Af開始大幅度下降，但此時湍流在火焰加速過程中起到了關鍵的作用，火焰傳播速度繼續保持增長的趨勢，直至達到雍塞條件。在第Ⅳ階段，火焰加速至C-J理論值的一半，當條件允許，在火焰陣面附近的局部爆炸瞬間將火焰速度提高至2 900 m/s左右，此時常規的爆燃模式轉為過驅爆轟。

圖3 火焰表面積Af和通道中心線火焰速度Dcen 隨時間的變化Fig.3 Evolution of the flame surface area Af and the velocity of the flame along the centerline of the channel Dcen

圖4進一步描述了經歷了三段時間Δt1、Δt2、Δt3后火焰面(flame surface，FS)位置與邊界層的演變情況，由于缺乏對流動速度以及引導激波和火焰的相對位置的準確測定，無法定量計算邊界層厚度，故只對舌形火焰的邊界層厚度變化作定性分析。眾所周知，在點火以后，加速的火焰會在火焰前方誘導出具有平緩周向速度的流動。因此，流動與側壁的相互作用導致了內壁附近邊界層的形成。圖4中可見內壁面附近火焰邊界層厚度逐漸增加，邊界層厚度隨流動-邊界相互作用時間的發展過程此前由Kuznetsov[21]等采用直管實驗加以研究。邊界層在壓縮波中開始產生并持續發展。當火焰沿著側壁傳播時，沿著火焰通路，火焰與邊界層的相互作用變得越來越弱。邊界層的源頭逐漸傳播的比火焰本身更快，導致了沿著通道方向邊界層厚度的增加。隨后，激波會在火焰前方產生，如Ciccarelli等[6]所描述，誘導產生了湍流邊界層?；鹧媾c湍流邊界層之間的相互作用造成了通道壁面附近燃燒速率的顯著增加，舌形火焰的形狀沿著內壁面進一步拉伸，在內壁附近產生了活躍的燃燒反應區域。

圖4 環形通道中經過Δt1、Δt2、Δt3后火焰 位置與邊界層的演變Fig.4 Evolution of flame positions and boundary layers during three different periods Δt1, Δt2, and Δt3 in curved channel

環形通道中初始壓力p0對火焰傳播速度Dcen的影響如圖5所示。通過對C2H4+ 3O2在初始壓力為15、20、25 kPa條件下開展實驗，獲得火焰傳播速度在不同壓力下的變化對比。由圖5可知不同初始壓力下火焰速度變化趨勢相同，即燃燒初始階段由于火焰表面積較小導致燃燒反應較弱，火焰速度較低；之后隨著舌形火焰在內的發展使火焰表面積增大，相應的火焰速度逐漸增大，在燃燒后期由于外壁附近存在局部爆炸，外壁附近火焰驟然加速，火焰鋒面速度整體急劇增長，達到過驅爆轟狀態。對25 kPa條件下的實驗組來說，其火焰傳播速度在前三階段總體高于20 kPa條件下的，20 kPa對比15 kPa亦然。各壓力下的火焰分別到達該組第四階段后，25 kPa一組最早在外壁附近產生局部爆炸，大約在220°位置處，且達到過驅爆轟時的速度為三組最高，約為3 441 m/s；同理20 kPa組的局部爆炸位置早于15 kPa組，過驅爆轟速度大于15 kPa組。因此，初始壓力的增加有助于增加火焰速度，縮短局部爆炸產生的距離，相應的縮短DDT距離LDDT，同時增加爆轟速度。

圖5 火焰傳播速度Dcen與初始壓力p0之間的關系Fig.5 Relation between initial pressure p0 and flame velocity Dcen

Kuznetsov等[21]指出，不同類型的預混氣體的起爆機制可能有所不同。選擇兩類代表性的預混氣體分別代表穩定性和不穩定性混合物進行實驗研究。對于氬氣稀釋的穩定混合物C2H2+2.5O2+3.5Ar，其化學反應性通常對任何溫度擾動(變化)都不太敏感，因此爆轟結構是“層狀”的，胞格前沿是有規律的，不穩定性在爆轟波傳播過程中的作用可以忽略。相比之下，不穩定混合物和C2H4+ 3O2通常具有高活化能的特點，因此，化學反應很容易受到溫度擾動(變化)的影響。這導致了一個具有小規模的擾動或不穩定的高度不穩定的反應區，在不穩定混合物的胞格爆轟模式是非常不規則的。圖6表示了不規則和規則爆轟胞格系統在不同初始壓力下的兩種不同的起爆模式。從圖6可知，LDDT隨著p0的增加而減少，這與參考文獻[21]中DDT起爆距離LDDT與直管中初始壓力p0成反比的論述相符。在初始壓力相同的條件下，C2H4+3O2一組中的LDDT小于C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar一組，不規則系統在低初始壓力時對縮短LDDT的效果更好；對C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar混合氣體，LDDT與初始壓力p0之間的關系式表示為LDDT=-4.4p0+1 075.5；對C2H4+ 3O2混合氣體則表示為LDDT=-2.2p0+937.5。當初始壓力p0升高幅度相同時，C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar一組LDDT隨p0變化的擬合線斜率大于C2H4+ 3O2一組，這表明相對于局部爆炸起爆模式，激波聚焦起爆模式對初始壓力的變化更加遲鈍。因此在初始壓力較低的條件下，規則系統需要更長的時間靠產生激波來誘導外壁處的混合氣點燃。

圖6 初始壓力p0與DDT距離LDDT之間的關系 Fig.6 Relationship between deflagration detonation transition LDDT and initial pressure p0

3 結論

在內徑為175 mm、外徑為225 mm的環形通道，在10～40 kPa初始壓力范圍內，開展對C2H4+ 3O2和C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar的火焰傳播與爆轟轉捩的實驗研究，得到結論如下：

(1)環形通道幾何效應對火焰傳播的影響產生了一系列火焰模式：球形火焰、手指形火焰、舌形火焰以及爆轟。兩種系統的爆轟起爆方式不同，C2H4+3O2中局部爆炸由不穩定性引起，C2H2+2.5O2+3.5Ar由激波聚焦引起局部爆炸。

(2)環形通道內舌形火焰在爆轟起爆過程中發揮了重要作用。沿舌形火焰傳播方向，內壁附近的邊界層逐漸增厚，火焰褶皺程度增大，燃燒反應速率增加。

(3)初始壓力增大有助于縮短DDT距離，并提高過驅爆轟速度。激波聚焦模式對初始壓力的變化更加敏感，不穩定模式在初始壓力較低時相對更能縮短DDT距離。

本實驗研究結果進一步完整地描述了環形管道內火焰加速至起爆的全過程，區分了兩種不同類型的預混氣體爆轟起爆機制。并定量分析了起爆距離隨初始壓力的變化關系。在科學層面揭示環形管道內火焰加速、激波與火焰相互作用轉化規律和機制，詳細分析了壁面斂散性對爆轟起爆的影響。進一步講，研究結果不僅為工業管道安全防護的設計參數提供一定的數據支持，也對旋轉爆轟發動機燃燒室內爆轟起爆的研究也具有一定的參考價值和借鑒意義。