激光紋影技術(shù)在爆轟反應(yīng)中的應(yīng)用

激光紋影技術(shù)在爆轟反應(yīng)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)和特性研究結(jié)果表明，煤氣表中的氣核主要用于管道輸送。研究表明，燃料輸送管道中存在大量的彎曲管道、分段管道、環(huán)形管道、軍閥和連接管道。因此，研究爆炸波在非等直道上的傳播對預(yù)防事故風(fēng)險非常重要。從學(xué)術(shù)興趣的角度來看，氣相爆炸波在管道中的傳播主要涉及誘導(dǎo)波和反應(yīng)之間的相互作用。在折疊管道中，壁面幾何結(jié)構(gòu)影響著導(dǎo)波的強(qiáng)度和波后的氣流溫度，并間接影響著反應(yīng)過程。因此，在這個問題中，包含了誘導(dǎo)波、反應(yīng)和幾何結(jié)構(gòu)之間的相互作用。已有較多的文獻(xiàn)研究激波在彎管中傳播問題.Takayama等和Edwards研究了平面激波在90°彎管中傳播時復(fù)雜波系間的相互作用.結(jié)果表明:彎管凹、凸壁面激波速度比與彎管曲率半徑有關(guān).激波在彎管傳播過程中,受到入射激波、反射激波、稀疏波及稀疏波在凹壁面的反射波共同作用.在彎管下游一定的距離內(nèi),受擾動的激波可恢復(fù)為平面激波.定性地看,爆轟波在大曲率半徑的彎管中的傳播現(xiàn)象與平面激波相似.與激波明顯不同的是,爆轟波陣面為非平面結(jié)構(gòu),且波陣面上存在橫波.當(dāng)彎管曲率半徑較小,爆轟波會熄滅,可能會發(fā)生二次起爆.Thomas和Williams采用煙跡技術(shù)研究了爆轟波在彎頭中的傳播.結(jié)果表明當(dāng)彎頭曲率半徑較小時,低初壓預(yù)混氣爆轟會局部熄滅,而高初壓預(yù)混氣的爆轟能維持.彎頭曲率半徑增大,爆轟就越容易成功傳播.小曲率半徑彎頭的煙跡結(jié)果表明:在凹壁面發(fā)生馬赫反射.夏昌敬利用壓力傳感器和煙跡技術(shù)研究了丙烷-空氣非穩(wěn)定爆轟波在90°彎管中的傳播特性.王昌建等采用壓力傳感器和煙跡技術(shù)研究了氣相爆轟波在半圓形彎管中的傳播現(xiàn)象.進(jìn)一步的研究表明:與直管不同,爆轟波在復(fù)雜管道(如半圓形彎管)中傳播,基于壓力傳感器所測量的爆轟波平均速度,不能準(zhǔn)確地描述爆轟波所受到幾何壁面的擾動,原因是所測速度不是波陣面上同一點(diǎn)的速度.另外,表征宏觀胞格結(jié)構(gòu)的煙跡技術(shù)僅定性地記錄爆轟波三波點(diǎn)的傳播歷史,不能動態(tài)地反映波陣面受擾動時的波系演變過程.因此,本文目的是:在實(shí)驗方面試圖發(fā)展基于激光的流場顯示方法,以觀察幾何壁面對爆轟波陣面的影響.同時,采用基元反應(yīng)描述爆轟化學(xué)反應(yīng)過程,通過化學(xué)反應(yīng)流場的數(shù)值研究,以搞清半圓形彎管中爆轟波傳播所伴隨的力學(xué)和化學(xué)機(jī)制.1爆進(jìn)行激光紋影的實(shí)驗段系統(tǒng)實(shí)驗研究是在橫截面為40mm×40mm方形爆轟管中進(jìn)行.圖1給出了實(shí)驗段的示意圖.兩個矩形光學(xué)觀察窗Wr1,Wr2分別嵌入彎管的上游和下游直段,觀察窗的可視長度為170mm.3個Φ90mm的圓形光學(xué)觀察窗Wc1,Wc2,Wc3分別嵌入彎管的不同位置,觀察窗的中心和相鄰彎曲段連接處之間的圓心角為10°.該實(shí)驗段入口與6.2m長的直爆轟管相連.在直爆轟管的另一端,采用高壓放電點(diǎn)燃不同初壓的實(shí)驗氣體(75%(2H2+O2)+25%Ar),經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)爆轟,形成自持爆轟波進(jìn)入實(shí)驗段.圖2給出了用于拍攝爆轟波陣面的激光紋影系統(tǒng)示意圖.該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于:(1)采用紅寶石激光(其中心波長為694.3nm)作為單色光源.(2)采用濾光片(其中心波長為694.3nm,半帶寬為15nm)來濾除爆轟化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的自發(fā)光,允許紅寶石激光通過并成像于普通照相機(jī)底片.(3)紋影圖單次拍攝,通過改變延時時間,獲得系列紋影圖片.延時誤差大約為±2μs.2爆響氣體密度2a采用帶基元反應(yīng)的二維Euler方程描述真實(shí)爆轟問題.基元反應(yīng)模型為:9組元48反應(yīng)模型,組元為H2,O2,H,O,OH,HO2,H2O2,H2O,Ar.爆轟氣體采用(1-Φ)(2H2+O2)+ΦA(chǔ)r.ρ1,…,ρNS為組元密度;ρ為總密度;p為壓力;u,v分別為x,y方向速度;E為單位質(zhì)量總能;Si為第i組元的質(zhì)量生成速率.采用二階附加半隱的龍格-庫塔法(additivesemi-implicitRunge-Kuttamethods)全耦合求解,能較好處理爆轟化學(xué)反應(yīng)所引起的剛性問題.空間項采用五階WENO格式離散.詳細(xì)過程見文獻(xiàn).3結(jié)果與討論3.1爆擊波傳播特性圖3給出了初壓為13.33kPa氣相爆轟波在半圓形彎管中傳播的系列紋影圖.所有紋影圖被放大并相應(yīng)于觀察窗位置排列.紋影圖為相同實(shí)驗條件、不同時間延時的多次實(shí)驗拍攝獲得.shot1表明:在半圓形彎管上游,爆轟波陣面橫波清晰可見,且胞格尺寸均勻(見文獻(xiàn)圖3),這表明爆轟波自持傳播.shot2至shot4給出了不同延時畸變的爆轟波陣面.這表明:由于來自凸壁面稀疏波和凹壁面壓縮波影響,沿凸壁面一側(cè)的波陣面及化學(xué)反應(yīng)區(qū)明顯寬于沿凹壁面一側(cè).shot5至shot9表明:在彎管2,彎管3中傳播的爆轟波受到壓縮波、稀疏波及稀疏波在凹壁面的反射波共同作用,由于彎管曲率半徑較大,爆轟波陣面畸變并不嚴(yán)重.在凹、凸壁面兩側(cè)波陣面及化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度基本相同.爆轟波傳播時未出現(xiàn)爆轟熄滅及二次起爆.shot10至shot12表明:當(dāng)爆轟波由半圓形彎管進(jìn)入出口直段,其波陣面并未嚴(yán)重畸變.結(jié)合文獻(xiàn)圖3,shot12還表明:此時,爆轟波已基本恢復(fù)至自持爆轟波.圖4,圖5分別給出了初壓為16.00kPa和26.67kPa的爆轟波傳播紋影圖.表明:隨著初壓的升高,化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度減小.由于曲率半徑較大,其傳播特性與圖3基本相似.3.2爆擊波傳播特性由于原始計算域較大,本文僅給出與實(shí)驗觀察窗WC1,WC2,WC3,WR2所對應(yīng)的區(qū)域1(包括入口直段),區(qū)域2,區(qū)域3和出口直段內(nèi)的波陣面和胞格結(jié)構(gòu)圖.數(shù)值模擬預(yù)混氣體為75%(2H2+O2)+25%Ar,初壓為8.00kPa,初溫為300K.圖6～圖9分別給出了區(qū)域1,區(qū)域2,區(qū)域3和出口直段內(nèi)的壓力、溫度和OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布.圖6表明:幀1位于入口直段某一位置,此時爆轟波自持傳播,有相對規(guī)則的橫波結(jié)構(gòu),三波點(diǎn)數(shù)為12,在計算域?qū)挾确较虼蠹s有6個爆轟胞格.當(dāng)爆轟波進(jìn)入彎管時,來自凸壁面的稀疏波衰減受擾動部分誘導(dǎo)激波.來自凹壁面的壓縮波使誘導(dǎo)激波增強(qiáng).由于該半圓形彎管曲率半徑較大,爆轟波陣面畸變并不嚴(yán)重.幀2～7的溫度和OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)場表明:凸壁面一側(cè)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)較凹壁面一側(cè)略寬,但誘導(dǎo)激波和化學(xué)反應(yīng)區(qū)并未出現(xiàn)明顯分離.也就是說,即使稀疏波衰減了爆轟波強(qiáng)度,但它并沒有導(dǎo)致爆轟波熄滅.圖7表明:爆轟波進(jìn)入?yún)^(qū)域2,誘導(dǎo)激波受到壓縮波、稀疏波及稀疏波在凹壁面的反射波共同作用.在凸壁面一側(cè)稀疏波起主導(dǎo)作用.在凹壁面一側(cè),盡管受到稀疏波及其反射波的作用,但壓縮波仍起主導(dǎo)作用.因此,凸壁面一側(cè)的誘導(dǎo)激波弱于凹壁面一側(cè).圖8給出了與圖7相似的爆轟波傳播特性,但三波點(diǎn)數(shù)已由12減少為11,這表明:爆轟波在半圓形彎管傳播過程中,其強(qiáng)度衰減.當(dāng)爆轟波由半圓形彎管進(jìn)入出口直段,畸變的爆轟波陣面逐漸得到恢復(fù),并逐漸重建自持胞格爆轟.圖9表明:在出口直段的爆轟波結(jié)構(gòu)已非常接近自持爆轟.但三波點(diǎn)數(shù)仍為11,并沒恢復(fù)到12.這說明爆轟波還沒達(dá)到自持傳播.隨著時間的推移,最終會形成自持爆轟波向前傳播.要說明的是:由于實(shí)驗爆轟管長度和紅寶石激光器固定延時的限制,對于預(yù)混氣75%(2H2+O2)+25%Ar,僅能獲得p0≥10.67kPa的紋影照片.隨著初壓提高,欲獲得收斂的自持胞格爆轟,需減小網(wǎng)格尺度,從而導(dǎo)致計算量大大增加.本文考慮計算量,數(shù)值模擬選擇預(yù)混氣初壓為8.00kPa,因此本文計算結(jié)果僅能與紋影圖進(jìn)行定性對比,結(jié)果表明:計算爆轟波陣面并未嚴(yán)重畸變,凸壁面一側(cè)的誘導(dǎo)區(qū)寬于凹壁面一側(cè).這些與實(shí)驗結(jié)果是一致的.3.3數(shù)值胞格結(jié)構(gòu)分析圖10給出了P0=8.00kPa,T0=300K區(qū)域1,區(qū)域2,區(qū)域3及出口直段的數(shù)值胞格結(jié)構(gòu).Strehlow研究表明:對于氫氧爆轟,稀釋劑氬的濃度大于50%,才會形成規(guī)則的爆轟波胞格.本文預(yù)混氣稀釋劑Ar的濃度為25%,在入口直段的數(shù)值胞格結(jié)構(gòu)表明:自持爆轟波胞格輕微不規(guī)則.圖11的實(shí)驗胞格結(jié)構(gòu)也證明了這一點(diǎn).由于半圓形彎管曲率半徑較大,壁面幾何結(jié)構(gòu)對誘導(dǎo)激波和橫波的影響較小.在圖10的數(shù)值胞格結(jié)構(gòu)中,很難分辨凹壁面一側(cè)的胞格較凸壁面一側(cè)的胞格小.但爆轟波在彎管傳播過程中,三波點(diǎn)數(shù)減少,即胞格尺寸增大,表明:爆轟波衰減.與相同條件下的實(shí)驗胞格結(jié)構(gòu)對比,數(shù)值胞格結(jié)構(gòu)在彎管寬度方向胞格數(shù)目較多.可能的原因是:實(shí)驗中管道壁面有熱損失和黏性邊界層損失,導(dǎo)致爆轟平均速度低于CJ值,并產(chǎn)生較大胞格.數(shù)值胞格結(jié)構(gòu)定性上更相似于高初壓下的實(shí)驗胞格結(jié)構(gòu).實(shí)驗結(jié)果表明:凹壁面一側(cè)的胞格尺寸比凸壁面一側(cè)小.但數(shù)值結(jié)果并沒有給出這一結(jié)論,可能是由于計算中忽略黏性的影響.實(shí)驗和數(shù)值結(jié)果均表明:爆轟波在半圓形彎管傳播過程中胞格變大,爆轟波衰減.3.4管道壁面兩側(cè)爆現(xiàn)平均速度比較表1給出了初壓為8.00kPa爆轟波沿凸、凹壁面的平均速度.表1表明:在入口直段,爆轟波自持傳播,其平均速度為2135.0m/s.當(dāng)爆轟波剛進(jìn)入彎管時,沿凸壁面一側(cè),由于受稀疏波影響,其平均速度減小大約50m/s.沿凹壁面一側(cè),由于受到壓縮波作用,其平均速度增加約105m/s.爆轟波在彎管傳播過程中,沿凹、凸壁面其平均速度均輕微減小.在出口直段,沿內(nèi)壁面一側(cè)爆轟平均速度為2136.7m/s,表明:爆轟波在該側(cè)己恢復(fù)至自持胞格爆轟.沿外壁面一側(cè)爆轟平均速度為2162.3m/s,略大于自持爆轟平均速度.這表明:爆轟波在該側(cè)是超驅(qū)動的,還沒恢復(fù)至自持胞格爆轟.在相同條件下,將計算爆轟波平均速度與文獻(xiàn)實(shí)驗值進(jìn)行對比.表明:沿凸壁面一側(cè),計算平均速度與實(shí)驗值一致.但沿凹壁面一側(cè),在爆轟波整個傳播過程中,實(shí)驗平均速度總是減小,明顯不同于計算值.這可能由于管道壁面的黏性邊界層和熱損失.然而,計算平均速度變化趨勢與p0≥13.33kPa的實(shí)驗值定性上一致.4圓形彎管爆擊波的波場特征表3(1)受稀疏波和壓縮波的影響,爆轟波陣面在半圓形彎管內(nèi)發(fā)生畸變.誘導(dǎo)激波在凹壁面附近強(qiáng)于凸壁