期刊在线｜环管中甲烷-氧气预混气爆轰传播机理研究

为了研究环形管内甲烷的爆轰传播机理，在内径为80mm的管道内分别安装内径为20mm，40mm，60mm的内管，形成环形管道，进行了甲烷-氧气预混气爆轰实验。将烟膜分别固定在外管的内壁以及内管的内外壁，记录环形管道通道内的三波点轨迹；同时在环管端面安设烟膜记录端面的轨迹。所记录的轨迹较混乱，这是因为横波在沿着传播方向绕着管轴旋转时不断地相互碰撞，反映出甲烷-氧气预混气是典型的不稳定预混气。明显可见当初始压力为12kPa时，爆轰波在普通圆管内呈现双头螺旋爆轰结构，设有内部小管内径为20mm 的环管外管内壁得到四头螺旋爆轰结构，说明其它因素不变的情况下，环形管内更容易获得自持爆轰。增大环管内管管径为60mm，环形通道内烟膜记录中未显示任何三波点轨迹，因为此管径下，胞格尺寸过大，无法容纳于管道中。增大内管管径，内径为20mm和40mm的环形管道的外管内壁烟膜记录胞格数量增多，胞格尺寸减小，原因为当边界条件改变时，爆轰极限发生相应的变化，分子获得的初始能量多，反应速率快。

关键词 螺旋爆轰；甲烷-氧气预混气；环形管道；三波点轨迹；烟膜

爆轰一直是能源安全利用中需要重点关注的对象，近些年来，在航空航天推进领域中也逐渐成为一个研究热点。甲烷（CH4）作为一种重要的高热值燃料，既可以在生产生活中作为常规能源使用，也可以当作液氧甲烷推进剂在火箭发动机、爆轰发动机中发挥重大作用[1,2,3]。为了更为充分地发挥甲烷的燃料属性，研究并掌握甲烷预混气的爆轰特性及传播机理十分必要。

胞格结构是爆轰的特有属性，也是研究爆轰的基础，三波点轨迹组成了胞格结构。Denisov和Troshin首先使用烟膜来记录爆轰的胞格结构，用于不稳定爆轰面的研究[4,5]。多年来，烟膜技术一直是主要的爆轰现象试验研究手段，并已经成为测量爆轰胞格尺寸的标准技术[6,7,8]。从化学动力学角度来看，恰当量比的甲烷氧气混合气是一种不稳定爆轰气体，呈现出不稳定混合气所属的不规则胞格结构。但相较于很多敏感且不稳定的预混气来说，比如乙炔氧气、氢气氧气等，其爆轰压力极限较高，属于不敏感、不稳定气体。在几种预混气中，CH4+O2虽然很难点燃但是因其性质很不稳定，易于维持爆轰的传播，氢气较稳定反而难以维持传播，维持压缩波传播所需能量高，相比较而言形成稳定爆轰需要更高的压力[9,10,11,12,13]。国内的学者对气相胞格规则的爆轰波起爆与传播进行研究，最近在胞格形成机理及其量化规律方面取得了重要进展[14,15,16,17]。很多实际情况下，高活性混合气的存在场合更多，通常是因为其具有更剧烈的能量释放，因此在安全防护中更为关键，当然如果能充分加以利用，在爆轰推进应用中也更有潜力。

就目前被广泛研究旋转爆轰发动机而言，其燃烧室通常是环形构型，燃料和氧化剂从头部进入燃烧室后形成混合物而参与爆轰燃烧过程，爆轰产物膨胀后从尾部高速排出[18,19,20,21]。目前来说，这种燃烧室内的爆轰传播机理仍然没有被全面掌握，除了构型的限制，一方面原因是因为这是一个动态过程，不容易通过更多先进的试验手段精确掌握细致的爆震波结构[22,23]。另一方面，在数值模拟中不能完全仿真诸如壁面效应等一些真实因素的影响。但对于其机理来说，通过环形通道内静止气爆轰的研究，有助于增强对旋转爆震物理过程的理解，尤其是处于极限情况的解释[24,25]。

Lee[26]指出，根据爆轰是否稳定，存在两种熄爆机制：稳定爆轰的爆轰结构可以用ZND模型描述，横波在爆轰波传播过程中的干扰作用可以忽略，但是对于不稳定爆轰，横波起到了决定性的作用。Gao等[27]在C2H2+2.5O2+ 85%Ar,C2H2+2.5O2+70%Ar的“稳定”混合物和C3H8+5O2，CH4+2O2的“不稳定”混合物的环形通道中进行了爆炸极限附近的实验研究。结果表明，对于环形管道内传播的非稳态气体爆轰波，随着预混气体初始压力逐渐降低并接近于爆轰失效的临界压力时，其速度同圆形管道一样波动增加，然而环形管道内并未出现弛振式、结巴式及低速爆轰等传播模式。Katta等[28]利用三维CFD代码结算N-S方程，利用两步反应模型模拟了氢气-空气预混气（马赫数4.2）在不同宽度（7.8mm，16.2mm，22.8mm) 圆环管道内的传播模态，分析了环形管道宽度对内、外壁爆轰波结构的影响，模拟结果中观察到了随管道宽度增加内外壁之间的斜激波结构以及剪切层的扭曲情况，阐述了内、外壁面对爆轰波结构的影响]。对于不同种类的烷烃燃料，圆环管道内的爆轰传播特性也有所区别。颜秉健等[29]和Zhang等[30]对CH4+2O2，C2H6+3.5O2和C3H8+5O2在36mm圆管及宽度为2mm，4.5mm和7mm的圆环形管中进行爆轰实验，结合爆轰波速度与近极限条件下烟膜结果，分析了环形管道对爆轰结构的影响。尽管所述研究者们均将烟膜放置与环形管道的外侧壁，但是对于普通圆形管道内与环形管道内的胞格结构的区别与联系仍然需要进一步的分析与探讨。

本文对CH4+2O2预混气在初始压力为12.0kPa时普通圆形管道和不同环形管道，采用烟膜记录在内径不同的圆型管道中的胞格结构。实验中在环形管道的内外壁面上都设置了烟膜，并且在端面安设烟膜用以记录爆轰波向内部延深的结构。对比分析了12kPa条件下CH4+2O2预混气在环形管道和普通圆形管道中的胞格结构，为后续更深一步探究甲烷在环形管道中的传播机理奠定了基础。

实验前通过左侧控制面板配置预混气与引爆气，之后向管道中充入一定压力的预混气，之后快速充入引爆气，利用高压点火直接引爆管中气体。预混气在驱动段内被引爆并形成稳定爆轰，位于管道侧壁与端面的烟膜可记录爆轰胞格结构，同时爆轰压力等数据可由实验段中传感器记录。实验开始前，使用配气系统配置CH4+2O2预混气。配气系统如图所示由控制面板、压力传感器 (CYYZ11通用型压力变送器)、仪表显示器 (CH6单通道热工表)、真空泵 (2XZ-4旋片真空泵)、预混气气瓶、引爆气气瓶与纯气气瓶组成，通过开闭位于控制面板上的阀门，完成混合气体配置操作。各组预混气均预混静置24 h以上方可用于实验中内部管内壁、内部管外壁、外部管内壁、内部管末端面及管道末端环形区域均需安设烟膜。烟膜需提前根据管道尺寸裁剪，熏制过程中需使碳迹均匀附着在PVC膜表面。外部管直径为80mm，由高强度不锈钢制作而成。内部管材质为PC塑料，实验中可选择不同直径的内部管。本次实验中所选择的内部管内直径为20mm，40mm与60mm，壁厚均为5mm。

各部分烟膜安设位置如图1所示。外部管内壁、内部管外壁、内部管内壁烟膜长度均为1m，宽度分别与外部管周长、内部管外周长、内部管内周长相同。

Fig. 1   Sketch of the apparatus

在无内管情况下进行了多组初始压力下的爆轰实验，利用压力传感器记录爆轰管道内的压力值，监测爆轰峰值，通过爆轰的距离与时间随爆轰波的传播速度进行计算，获得了爆轰平均速度与CJ爆轰速度比，如图2所示，其中纵轴为爆轰波速度V与CJ爆轰速度Vcj之比，横轴为传播距离。图2中显示，在初始压力低于5kPa时，未形成自持爆轰；高于5kPa时，才能获得稳定的爆轰波传播，此时得到的平均爆轰波传播速度接近于CJ爆轰速度。爆轰起爆压力p0=5kPa为极限状态，进行多次近极限的试验后，在本文中展现出初始压力为p0=12kPa的实验结果。由图2可知p0=12kPa的条件下能够获得稳定的爆轰波传播结果。

Fig. 2   Velocity of premixed CH4+2O2 at different initial pressures

内部管外壁、外部管内壁烟膜可记录在两管之间的环形区域内的爆轰波结构，同时位于末端的环状区域端面烟膜可记录爆轰波的横波结构。而内部管内壁、内部管末端端面烟膜可分别记录内部管中爆轰波侧壁与端面三波点迹线。端面烟熏玻璃记录了管壁折痕是如何从壁面朝着管轴向内延伸的。端面烟熏玻璃上显示的精细结构是反射激波扫过激波压缩的反应物而形成的。在描绘轨迹时将烟膜上记录的三波点轨迹的终点与烟熏玻璃上记录的轨迹的起点对应。

为了更加清楚地描述甲烷氧预混气的爆轰波传播结构，通过PS处理技术剔除了烟膜背景层，用50%灰度的图层作为背景得到了只有三波点轨迹线的图片。图3所示为CH4+2O2在直径d1=80mm的光滑管道，初始压力p0=12kPa时的实验结果，三波点轨迹用黄色虚线表示。单头爆轰是爆轰存在的极限状态，以此作为获得稳定的爆轰传播的标志。由图2可知在此条件下已达到爆轰极限状态，甲烷氧预混气形成双头螺旋爆轰结构，同时在端面上留下相对的两条轨迹线，A点对应A1,B点对应B1点，图3中端面轨迹线恰好是轨迹接着在管道内的传播。图4所示为CH4+2O2在外径d1=80mm、内径d3=20mm的环形管道内，初始压力p0=12kPa时的实验结果，显示了不同位置的烟膜上的轨迹。图4（a）为80mm的高强度不锈钢的内表面的烟膜记录，在爆轰波传播初始阶段形成了四头螺旋爆轰结构，随即衰变为双头螺旋爆轰结构。图4（b）是PC塑料20mm内管外表面的烟膜记录，结果显示在内管外表面上形成了双头螺旋爆轰，随后衰变为单头，并且单头螺旋结构表现出极其弯曲的状态，时宽时窄不稳定。其端面结构在图4（a）所示端面烟膜中显示，其内直径d2=30mm黄色轨迹线所描绘的壁面与端面相对应的同源轨迹点，A点对应A1点,B点对应B1点,C点对应C1点，两条轨迹线从最边缘位置延伸到内管外壁端面，在端面上形成双头爆轰结构。图4（c）是20mm内管内表面的烟膜记录，在管内产生过双头螺旋爆轰结构，但是因为实验中初始压力不是足够高，爆轰波传播速度低，最终是以单头螺旋爆轰结构维持爆轰波在管内的传播。在端面上烟熏玻璃上留下了一条折痕，实验结果表明折痕并没有延伸到对面的管壁上，假如折痕延伸到对面的管壁，在侧壁的烟膜上不再是一条对应的轨迹线，在一个波长范围内记录到的应该是两条对应方向的轨迹线[12]。

Fig. 3   Smoked foils record under 12kPa (no inner channel)

Fig. 4   Smoked foils record under 12kPa (with 20mm-diameter channel tube inserted)

在光滑管道中插入内管之后对于爆轰波的传播来说，在相同条件下增大了激波的反射面积，而激波产生的更高的局部温度对爆轰波的传播反而起到了促进的作用。

通过比较普通管道和内径为20mm的环形管道的烟膜记录可知，在环形管道中由于边界条件的影响更容易达到爆轰极限。在同等实验条件下，普通管道中形成双头螺旋爆轰，而在环形管道外管的内壁烟膜上形成了四头转双头螺旋爆轰结构，在内管的外壁上形成了双头转单头的螺旋结构，端面结果显示环管端面处留下两条轨迹线，内管端面处留下一条轨迹线。对比图3和图4中实验结果，很明显在光滑管道中插入内管之后胞格尺寸变小，其原因是胞格尺寸代表的是波中的能量的大小，爆轰的传播有波峰面燃烧的热量和爆轰波的能量，边界条件的影响使得爆轰极限的条件更容易达到，分子获得的初始能量多，更多的活化分子参与反应，提高了分子间的反应速率，可以形成更多的胞格，表现在胞格尺寸就是变小[31]。同时，环形管道不同位置的烟膜记录显示，在外管内壁、内管外壁和内管内壁的爆轰波结构都发生了衰减，原因是由于实验初始压力不足够高，在爆轰波的传播过程中由于横波在绕着管轴旋转的方向上不断地碰撞，造成能量的损失从而减弱了爆轰波的传播。

图5所示为CH4+2O2在外径d1=80mm，内径d3=40mm的环形管道，初始压力p0=12kPa时的实验结果。图5（a）记录显示为外管内壁的烟膜记录，其内直径d2=50mm初始阶段产生六头螺旋爆轰结构，随着传播距离的增大转变为双头螺旋结构。普通的双螺旋结构是两组旋转方向相反的横波轨迹形成的，不同于20mm内管中形成的普通的双螺旋结构，图5（a）中形成了一种独特的双头螺旋，如图所示为两条近似平行的、都为右手方向的螺旋状轨迹。内管外壁形成双头螺旋结构，随即衰减为单头螺旋，内管内壁烟膜记录显示在内管中形成了四头转双头的螺旋结构。由于本文实验是在近极限条件下进行的，虽然出现了六头螺旋爆轰，但是由于爆轰压力不足够高，在爆轰波传播过程中能量发生衰减，不足以维持爆轰波的传播，因此反映在端面烟熏玻璃上并没有形成更为复杂的胞格结构。图5（a）中环管端面的烟膜记录显示B点对应轨迹线在传播过程中消失，没有延伸到对面内管外壁，这与壁面爆轰波传播规律相同，因为圆形管道的外壁面为凹形结构，对流场有压缩的作用，加强了爆轰波的传播；内壁面为凸形结构，对流场起到稀疏作用，减弱了爆轰波的传播[32]。

Fig. 5   Smoked foils record under 12kPa (with 40mm-diameter inner tube inserted)

图6所示为CH4+2O2在外径d1=80mm，内径d3=60mm的环形管道，初始压力p0=12kPa时的烟膜记录。因为环管的通道间隙过于狭窄（只有10mm），无法将烟膜同时固定在外管的内壁和60mm内管的外壁上，因此本组实验仅得到了外管内壁和内管内壁的烟膜记录。图6（a）为外管内壁的烟膜记录，其端面结构内直径d2=70mm,因为甲烷-氧气爆轰表现出不稳定性，图中用黄色轨迹线只追踪出较为明显的几条轨迹，结果显示在外管内壁没有形成爆轰螺旋结构，原因为通道间距过于狭窄并且管道曲率相对过大，胞格尺寸过大时，无法容纳于管道中，因此未出现单头螺旋或螺旋爆轰，端面烟熏玻璃未留下痕迹。而在小管内壁上形成了双头转单头的螺旋爆轰结构，端面烟熏玻璃上留下接着在轨道内的传播留下一条轨迹线，和20mm端面轨迹线规律相同，轨迹没有延伸到对面管壁上。图5，图6的实验结果进一步证明了边界条件对爆轰波的传播有很大的影响。

Fig. 6   Smoked foils record under 12kPa (with 60-mm diameter inner tube inserted)

对比图4，图5和图6中不同内径的环形管道的胞格结构可知，随着内管管径的不断增大，与40mm内管管道相比20mm内管管道的外壁烟膜记录显示出螺旋横波模态增加，横波结构复杂，胞格数增多，胞格尺寸减小，然而在继续增大内管管径至60mm的过程中，反而没有得到更小的爆轰极限，原因可能为通道内间隙过于狭窄，无法容纳完整的胞格结构，而只有在形成一个完整的胞格的状态下爆轰波才可以继续向前传播，因此在内径为60mm的环形管道中没有观察到爆轰波螺旋结构。

在不同尺寸环管中进行了甲烷-氧气预混气爆轰实验，使用烟膜记录了近极限状态下的爆轰胞格结构，经分析得到了以下结论：

（1）实验烟膜记录结果显示，甲烷氧气预混气在初始压力为12kPa条件下，直径为80mm的普通圆形管道中形成双头螺旋爆轰结构；在内径为20mm的环形管道中外管内壁形成四头螺旋爆轰结构，内径为40mm的环形管道中外管内壁形成六头螺旋爆轰结构。通过普通管子和环形管道的爆轰波烟膜记录做比较，在环形管道中由于边界条件的影响，更容易形成自持爆轰。

（2）实验发现，增大内管管径通常会获得更低的爆轰极限，但是在内管内径为60mm实验中通道间距过于狭窄并且管道曲率相对过大时，胞格尺寸过大无法容纳于管道中，反而无法形成爆轰传播。

（3）实验结果表明，普通管子与内径分别为20mm，40mm环形管道相比，在增大内管管径的过程中，外管内壁烟膜记录胞格数增多，胞格尺寸减小。边界条件的影响使得爆轰极限的条件更容易达到，分子获得的初始能量多，更多的活化分子参与反应，提高了分子间的反应速率，可以形成更多的胞格。

来源｜推进技术

作者|牛淑贞

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