2018, Vol. 39
2. 湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201;
3. 金日成综合大学 尖端科学研究院，平壤 999093
2. Work Safety Key Lab on Prevention and Control of Gas and Roof Disasters for Southern Coal Mines, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;
3. Telecommunication Research Center, Kim Il Sung University, Pyongyang 999093, DPRK
爆轰结构是气相爆轰机理的基础，伴随着连续爆轰发动机研究的飞速发展，近两年诸多学者对爆轰波胞格结构进行了研究[1~4]。烟膜是记录爆轰胞格结构的主要方式，胞格结构是研究爆轰的关键[5, 6]。国内的学者也对气相规则胞格爆轰波起爆与传播进行研究[7, 8]。胞格形成机理及其量化规律在实验[9, 10]与数值模拟[11~13]研究中均取得了重大进展。
真实的爆轰波结构是瞬态的、三维的、不稳定的，ZND模型不能描述真实的爆轰波结构[14]。实际上烟膜记录的是管道内壁处三波点留下的轨迹，此处称前面学者描述的胞格尺寸为三波点轨迹间距[15~17]。因为难以观察爆轰波在管道传播时的内部情况，所以当前并不清楚爆轰内部胞格结构，对爆轰内部的发展规律鲜有涉及。远离壁面处，三维结构发生改变。即使是单头螺旋，尽管侧壁烟膜只留下一个螺旋轨迹，但是前导激波的锋面结构也是大不相同的[18]。Voitsekovskii等[19]初步提出了单头、双头和四头螺旋爆轰的横波运动但尚缺少实验支持。希望能通过文中研究得到实际的螺旋爆轰结构。
预混气的爆轰传播受其不稳定度的影响，Lee[14]指出，稳定爆轰与不稳定爆轰有着不同的熄爆机制，在研究爆轰波内部结构时需要考虑预混气的不稳定性。Zhao等以三波点轨迹的不规则度来描述预混气爆轰不稳定度，给出了客观衡量的爆轰规律性和三波点轨迹不规则性的定量描述办法[20, 21]。然而这些研究针对的仅是内壁面的三波点轨迹，而非真实的爆轰波结构。
预混气不稳定度对爆轰内部结构的影响十分重要，在此通过五种典型稳定预混气和不稳定预混气的爆轰试验，给出结合壁面胞格结构及端面胞格结构的内壁面三波点轨迹结果和端面记录的内部三波点轨迹结果，分析几种预混气的内部胞格结构的不稳定度，得出预混气不稳定度对爆轰内部结构的影响。
2 实验方法使用内径为63.5mm的钢制爆轰管道记录内部的胞格结构，见图 1。所用爆轰管道总长4m，壁厚10mm，由金属驱动段及实验段组成，驱动段长1560mm；实验段由两段长1200mm的钢管构成，管段间通过法兰装配而成。以C2H2+O2作为驱动爆轰发生的驱动气。
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Fig. 1 Detonation tube structure diagram |
实验选取五种典型的预混气：侧壁三波点轨迹较规则的稳定预混气：C2H2+2.5O2+85%Ar，2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar；侧壁三波点轨迹不规则的不稳定预混气：C2H2+5N2O和CH4+2O2。所有的预混气均使用分压法制备，通过控制面板将不同气体分别安全输入到充配气系统的预混气高压瓶中，预混气静置24h以上使用。
钢管管道末端的法兰开槽，在开槽处安装橡胶密封圈，使得玻璃可以被管道抽真空过程管道内外的压力差压紧安装于法兰端面。将烟熏玻璃垂直管轴安装于管道末端，使得烟熏玻璃的烟熏部分与爆轰管内径一致，且完整覆盖内径，这样爆轰面会在该烟熏玻璃上发生反射留下轨迹，进而得到离管壁较远处靠近管轴的前导激波面形状。记录壁面三波点轨迹的烟膜厚度为0.4~0.6mm。记录端面三波点轨迹的烟熏玻璃厚度为6mm。实验中选择高灵敏度的压力变送器(Omega PXM409-17.5BGUSBH)测定实验中压力变化。相同参数的实验均需重复三次以上以保证实验的可靠性。
3 结果与讨论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经过激波压缩的反应物(处于折痕入射激波后方的诱导区内)而形成的。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，内径为63.5mm的爆轰管内，初始压力分别为2.99kPa，3.1kPa，0.89kPa，3.75kPa时，2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+85%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar，C2H2+5N2O和CH4+2O2形成单头爆轰，见图 2(a)，(c)，(e)，(g)所示。升高压力可使得单头螺旋向双头乃至多头螺旋爆轰逐渐发展，当初始压力分别为3.09kPa，3.65kPa，1.06kPa，4.06kPa时，C2H2+2.5O2+85%Ar，2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar，C2H2+5N2O和CH4+2O2形成了双头螺旋，见图 2(b)，(d)，(f)，(h)所示。单头螺旋在烟膜与烟熏玻璃上仅留下单侧的左旋或右旋轨迹，而双头螺旋爆轰中出现了两组旋转方向相反的横波模态，在侧壁烟膜留下交叉的两条三波点轨迹线，在端面留下相对的两条轨迹线。
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Fig. 2 Simultaneous side-wall and end-on records of single-head detonation of different pre-mixtures |
图 2表明稳定预混气向内部延伸模式较规律，不稳定预混气向内部延伸规律较难寻找，因为横波间相互干渉更严重。几种预混气中，CH4+2O2虽然很难点燃但是因其性质很不稳定，易于维持爆轰传播。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。类似的，高浓度Ar稀释的C2H2+2.5O2形成单头与双头螺旋比低浓度Ar稀释的同种预混气体需要更高的初始压力，且在端面形成的轨迹也越稳定。
随着初始压力的升高，C2H2+2.5O2+85%Ar，2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar，C2H2+5N2O和CH4+2O2都形成多头螺旋，见图 3所示。
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Fig. 3 Simultaneous side-wall and end-on records of multi-head detonation of different pre-mixtures |
初始压力足够大时，稳定预混气的爆轰内部结构也趋于规律，在端面形成了近似圆形的多边形。各预混气的端面结果均表现出随着初始压力的增大，螺旋头数增加的规律。
预混气越不稳定，在内壁面留下的三波点轨迹越不规则，在端面也越难形成规则的近圆形胞格。高频螺旋爆轰不像单头螺旋爆轰那样存在绕管子圆周旋转的独立可辨的螺旋头，但是可以计算其胞格尺寸。在壁面记录的轨迹实际仅是爆轰波边缘结构，应该称呼烟膜上左手或右手轨迹线间的距离为横波间距，真正的胞格尺寸对应端面烟熏玻璃上留下的结构的尺寸。因为横波间的相互干涉，在端面留下的胞格结构复杂且不像壁面那么规则可辨，在此，将胞格等面积圆的直径尺寸记为端面胞格尺寸。随压力升高各气体壁面横波间距与端面胞格尺寸均逐渐减小，以C2H2+2.5O2+85%Ar为例，壁面横波间距随压力增大由45.4mm减小至13.8mm，而端面胞格由21.6mm减小至7.7mm。详细的结果分析将在后文给出，这里不再赘述。
端面胞格见图 4，由于端面几何特征，越靠近管壁，胞格数量明显增加；但管壁附近胞格形状分布不规则，部分胞格较相邻胞格面积有增加，本文认为这与管壁附近活性分子的损失有关。
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Fig. 4 End-on records of pre-mixtures |
胞格数量上，实验结果中可以看到一组端面胞格螺旋头数量近似的实验：2H2+O2+50%Ar这种稳定预混气在13.82kPa，C2H2+2.5O2+85%Ar在14kPa，C2H2+2.5O2+70%Ar在5.74kPa，C2H2+5N2O在4.23kPa，但CH4+2O2这种特别的不稳定预混气在13.1kPa附近，且端面胞格难以识别。从根本上来讲是分子间反应速率的差别，导致了能量释放差别，影响了爆轰波胞格尺寸。
以2H2+O2+50%Ar的15.61kPa的对端面胞格的数字化分析为示例，见图 5。观察稳定预混气的端面胞格发现胞格的中心点分布于不同直径的圆周，以管道圆截面的中心点为第0圈，第n个圆周的第m个胞格的中心点记为Nm，第n个圆周的第m个胞格的直径记为Dnm，对(Dnm-D(n-1)m)求离散度σ。
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Fig. 5 Digitization of end-on record of 2H2+O2+50%Ar at p0=15.61kPa |
横波间距及胞格尺寸见图 6所示。C2H2+2.5O2+85%Ar，2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar和C2H2+5N2O共同点是端面胞格均低于壁面三波点轨迹间距，且随着压力的升高，胞格尺寸在降低，但是降低幅度没有三波点轨迹间距迅速。
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Fig. 6 Cell size and transverse wave spacing |
端面胞格的不规则度与文献[21]给出的侧壁三波点轨迹间距的不规则度表征的爆轰不稳定度规律一致。几种气体的不稳定度的趋势一致，见图 7，均为σC2H2+C2H2+85%Ar < σ2H2+O2+50%Ar < σC2H2+C2H2+70%Ar < σC2H2+5N2O，但是相同预混气的三波点轨迹间距不稳定度数据更高，趋势更陡，这可能与壁面处的活化分子因为碰撞壁面而减少有关。
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Fig. 7 Variance of cell size and transverse waves spacing |
(1) 在内径63.5mm的爆轰管道内获得了2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+85%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar，C2H2+5N2O和CH4+2O2单头、双头、多头螺旋结果，通过烟膜和烟熏玻璃记录了内壁三波点轨迹和端面三波点轨迹。发现多头螺旋爆轰在端面形成了多个胞格结构。预混气越不稳定在端面越难形成规则的近圆形胞格。
(2) 对多头螺旋爆轰的端面胞格进行数字化处理后，得到了2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+85%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar，C2H2+5N2O的胞格尺寸，发现端面胞格的尺寸与壁面数据发展趋势一致，但是低于壁面数据。
(3) 预混气的端面胞格离散度与轨迹间距离散度大小关系均为2H2+O2+50%Ar，C2H2+2.5O2+85%Ar，C2H2+2.5O2+70%Ar，C2H2+5N2O和CH4+2O2，这与气体的不稳定度的趋势一致；但相同预混气的三波点轨迹间距不稳定度更高，发展趋势更陡，这可能与壁面处的活化分子因为碰撞壁面而减少有关。
致谢: 感谢国家自然科学基金青年基金、中央高校基本科研业务费专项资金、中国博士后科学基金、南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室开放基金的资助。
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