爆轰波三波点擦除烟迹表面积碳机制

工程科学学报，第39卷，第3期：335-341,2017年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.3:335-341,March 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.003:http://journals.ustb.edu.cn 爆轰波三波点擦除烟迹表面积碳机制 赵焕娟”，John H.S.Lee》,张英华D四，严屹然” 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 2)Mechanical Engineering Department,McGill University,Montreal,Quebec,Canada H3A 2K6 ☒通信作者，E-mail:yhustb@163.com 摘要为理解三波点在壁面及端面积碳留下记录的确切机制，推动对螺旋爆轰内部结构的研究，采用端面烟熏玻璃与内壁 烟膜结合的实验方法记录胞格结构，并得到不稳定、较稳定及稳定预混气的侧壁及端面爆轰记录.2H2+02+3A给出了清晰 精细的端面结果，其单头螺旋结果表明相对于结果近似的侧壁结果，内部螺旋结构并非固定、进而从附着碳粒的粒度尺寸分 析出碳迹附着原理并结合五种预混气的反应特性，确定键能足以克服碳迹吸附在表面的力时才能擦除烟迹.另外预混气中 的碳分子也会导致烟迹堆积而影响端面结果，反射激波的强度也影响记录的清晰度.最终确定烟迹擦除机制受预混气影响， 应针对预混气选用表面粗糙度载体和积碳颗粒尺寸，并给出了记录爆轰结构的方法. 关键词螺旋爆轰：烟膜：烟熏玻璃：三波点：胞格结构 分类号TD77·4:0381 Precise mechanism of triple point passage removing soot on soot-coated surface ZHAO Huan-juan John H.S.LEE2),ZHANG Ying-hua,YAN Yi-ran') 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Mechanical Engineering Department,MeGill University,Montreal,Quebec,Canada H3A 2K6 Corresponding author,E-mail:zyhustb@163.com ABSTRACT To understand the precise mechanism by what the soot is removed when the triple point passed over the smoked inner wall foil or smoked end-on glass and promote the research on spinning detonation structure,smoked end-on glasses and inner wall smoked foils were established to record the trajectories of triple-shock Mach intersections of spinning detonation.Detonation records of unstable,a little stable and very stable premixed mixtures were obtained in wall foils and end-on glasses.Smoked end-on glass of 2H2 +0+3Ar gave clear records.Sing-head spinning detonation records of 2H2+0+3Ar indicates that the internal structure of the spinning detonation is not stable while the inner wall results are similar.The cause why soot can be adsorbed on foils and glasses is one factor.Another factor is that reaction characteristics performance of different mixtures should be considered according to above experi- mental results.The soot can be removed when bond energy is bigger than adsorption energy between the soot and the foil or glass sur- face.What's more,the carbon molecules particles in detonation front reaction may lead to carbon accumulation and affect the records. In another hand,the strength of reflected shock wave may affect the clarity of the records.Finally,the precise mechanism is affected by characteristics of mixtures.Using appropriate surface roughness and soot particle size according to mixtures characteristics can give satisfying detonation structure records. KEY WORDS spinning detonation:smoked foils:smoked end-on glass:triple point:cellular structure 收稿日期：201605-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(E0410O3):中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-15-1O5A1):中国博士后科学基金 资助项目(2015M580049)

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期: 335--341，2017 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 3: 335--341，March 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 03． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 爆轰波三波点擦除烟迹表面积碳机制 赵焕娟1) ，John H． S． Lee2) ，张英华1) ，严屹然1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) Mechanical Engineering Department，McGill University，Montreal，Quebec，Canada H3A 2K6 通信作者，E-mail: zyhustb@ 163． com 摘 要 为理解三波点在壁面及端面积碳留下记录的确切机制，推动对螺旋爆轰内部结构的研究，采用端面烟熏玻璃与内壁 烟膜结合的实验方法记录胞格结构，并得到不稳定、较稳定及稳定预混气的侧壁及端面爆轰记录． 2H2 + O2 + 3Ar 给出了清晰 精细的端面结果，其单头螺旋结果表明相对于结果近似的侧壁结果，内部螺旋结构并非固定． 进而从附着碳粒的粒度尺寸分 析出碳迹附着原理并结合五种预混气的反应特性，确定键能足以克服碳迹吸附在表面的力时才能擦除烟迹． 另外预混气中 的碳分子也会导致烟迹堆积而影响端面结果，反射激波的强度也影响记录的清晰度． 最终确定烟迹擦除机制受预混气影响， 应针对预混气选用表面粗糙度载体和积碳颗粒尺寸，并给出了记录爆轰结构的方法． 关键词 螺旋爆轰; 烟膜; 烟熏玻璃; 三波点; 胞格结构 分类号 TD77 + 4; O381 收稿日期: 2016--05--16 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( E041003) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--TP--15--105A1) ; 中国博士后科学基金 资助项目( 2015M580049) Precise mechanism of triple point passage removing soot on soot-coated surface ZHAO Huan-juan 1) ，John H． S． LEE2) ，ZHANG Ying-hua1) ，YAN Yi-ran1) 1) School of Civil and Ｒesource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Mechanical Engineering Department，McGill University，Montreal，Quebec，Canada H3A 2K6 Corresponding author，E-mail: zyhustb@ 163． com ABSTＲACT To understand the precise mechanism by what the soot is removed when the triple point passed over the smoked inner wall foil or smoked end-on glass and promote the research on spinning detonation structure，smoked end-on glasses and inner wall smoked foils were established to record the trajectories of triple-shock Mach intersections of spinning detonation． Detonation records of unstable，a little stable and very stable premixed mixtures were obtained in wall foils and end-on glasses． Smoked end-on glass of 2H2 + O2 + 3Ar gave clear records． Sing-head spinning detonation records of 2H2 + O2 + 3Ar indicates that the internal structure of the spinning detonation is not stable while the inner wall results are similar． The cause why soot can be adsorbed on foils and glasses is one factor． Another factor is that reaction characteristics performance of different mixtures should be considered according to above experi￾mental results． The soot can be removed when bond energy is bigger than adsorption energy between the soot and the foil or glass sur￾face． What’s more，the carbon molecules particles in detonation front reaction may lead to carbon accumulation and affect the records． In another hand，the strength of reflected shock wave may affect the clarity of the records． Finally，the precise mechanism is affected by characteristics of mixtures． Using appropriate surface roughness and soot particle size according to mixtures characteristics can give satisfying detonation structure records． KEY WOＲDS spinning detonation; smoked foils; smoked end-on glass; triple point; cellular structure

·336· 工程科学学报，第39卷，第3期 针对爆轰发动机广泛的应用需求四，自20世纪五 卡涡，认为涡单元中的低压中心能够从壁面处吸起积 十年代以来，Voitsekhovski、Bykowski等D-等学者已 碳颗粒.Head等m则通过实验在很多涡中观察到了 对旋转爆轰进行研究，诸多学者0在燃烧室内对多 发卡涡.因此，可以想象当三波马赫结构的剪切层扫 种燃料的旋转爆轰进行了实验研究.旋转爆轰的稳定 过烟膜时，可能存在一个类似的烟膜擦除机制，本文希 性可通过实验给出的压力、速度结果判断，但所给出的 望结合前人工作及微观尺度方法来分析烟膜擦除 实验记录所包含的爆轰波结构信息非常局限，计算也 机制. 大都局限于二维2，并未深入研究爆轰波内部结 环绕在管子内壁的烟膜上仅记录了爆轰面外圈上 构.爆轰波通常具有复杂的结构，研究爆轰面结构最 的三波点经过的路径，想要确定离管壁较远处靠近管 有用的技术之一是烟膜技术a.把熏制的烟膜放置 轴的前导激波面形状，可把烟膜垂直于管轴放置a, 在爆轰管内壁，通过三波点扫过后留下的痕迹来研究 这样爆轰面会在该烟膜上发生反射，对于爆轰内部结 爆轰面，已经成为测量爆轰面胞格结构及尺寸的标准 构的研究十分重要.但是，烟膜固定在端面的难度较 技术7-四，国内学者也通过这种实验与仿真结合来研 高，且烟膜的厚度和不完全平整面会影响波的传播，甚 究爆轰结构D0-2 至在实验中产生的高温高压中遭到破坏，导致实验失 虽然有充分的实验证据表明烟膜上的刻痕是马赫 效，所以前期研究未能给出足够清晰的端面结构.为 结构上的三波点扫过壁面时留下的，但是人们仍未 了更精确的记录端面爆轰结构，创造了烟熏玻璃来记 理解三波点划过积碳表面擦除烟膜的确切机制.在三 录端面爆轰结构的方法.这一方法也有利于研究如何 波点附近马赫杆和反射激波产生的高温和高压不可能 将来自螺旋爆轰波反射的激波相交记录在端面烟膜面 刻出如此清晰的细线.一种机制认为烟灰是被三波点 上的复杂过程.实验中使用多种气体来获得管道内壁 处滑移线上巨大的速度梯度擦除的.这个跨过剪切间 面结构及端面结构，以对比分析三波点在烟膜及端面 断面的速度梯度被认为起到了冲刷的作用.然而，在 留下痕迹的机制.并且利用端面烟熏玻璃和H,作为实 管壁表面总存在着边界层，表面上的无滑移边界条件 验气体获取了十分清晰的端面爆轰结构，这是先前的学 总趋于把三波点相关联的滑移线两侧的速度梯度耗散 者所没有获得的，这将对得到爆轰内部结构做出贡献 掉.因此，剪切流的冲刷作用可以擦除烟膜沉积物这 1 实验装置 一观点是值得怀疑的.另一方面，假如存在着垂直于 壁面的压力梯度，积碳颗粒就能够有效地从表面擦除 建立管道内爆轰波传播实验装置，由爆轰管道、配 平面剪切层可看作是一系列线涡的叠加.因此，在三 气系统、点火系统、测试及采集装置等结构组成，爆轰 波点处就会有一个非常集中的刷烈涡流管，而且当三 管道系统如图1所示，钢制圆管爆轰管道，由金属驱动 波点扫过时，积碳颗粒就能被垂直地从表面移出.在 段及实验段组成，驱动段长1560mm,内径63.5mm,壁 湍流边界层中，Wu等a假设湍流边界层中存在着发 厚10mm;实验段由两段长1200.0mm的钢管构成，管 信号转换器 示波器 点火塞 Shchelking螺旋 离子探针 烟熏膜片 1000mm 1560mm 2100mm 取动段 实验段 风4 控制面板 触发器扣 真空泵 高压供电装置 实验预混气 驱动 图1爆轰管道结构示意图 Fig.I Detonation tube structure diagram

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 针对爆轰发动机广泛的应用需求［1］，自 20 世纪五 十年代以来，Voitsekhovskii、Bykowski 等［2--3］ 等学者已 对旋转爆轰进行研究，诸多学者［4--11］在燃烧室内对多 种燃料的旋转爆轰进行了实验研究． 旋转爆轰的稳定 性可通过实验给出的压力、速度结果判断，但所给出的 实验记录所包含的爆轰波结构信息非常局限，计算也 大都局限于二维［12--15］，并未深入研究爆轰波内部结 构． 爆轰波通常具有复杂的结构，研究爆轰面结构最 有用的技术之一是烟膜技术［16］． 把熏制的烟膜放置 在爆轰管内壁，通过三波点扫过后留下的痕迹来研究 爆轰面，已经成为测量爆轰面胞格结构及尺寸的标准 技术［17--19］，国内学者也通过这种实验与仿真结合来研 究爆轰结构［20--25］． 图 1 爆轰管道结构示意图 Fig． 1 Detonation tube structure diagram 虽然有充分的实验证据表明烟膜上的刻痕是马赫 结构上的三波点扫过壁面时留下的［16］，但是人们仍未 理解三波点划过积碳表面擦除烟膜的确切机制． 在三 波点附近马赫杆和反射激波产生的高温和高压不可能 刻出如此清晰的细线． 一种机制认为烟灰是被三波点 处滑移线上巨大的速度梯度擦除的． 这个跨过剪切间 断面的速度梯度被认为起到了冲刷的作用． 然而，在 管壁表面总存在着边界层，表面上的无滑移边界条件 总趋于把三波点相关联的滑移线两侧的速度梯度耗散 掉． 因此，剪切流的冲刷作用可以擦除烟膜沉积物这 一观点是值得怀疑的． 另一方面，假如存在着垂直于 壁面的压力梯度，积碳颗粒就能够有效地从表面擦除． 平面剪切层可看作是一系列线涡的叠加． 因此，在三 波点处就会有一个非常集中的剧烈涡流管，而且当三 波点扫过时，积碳颗粒就能被垂直地从表面移出． 在 湍流边界层中，Wu 等［26］假设湍流边界层中存在着发 卡涡，认为涡单元中的低压中心能够从壁面处吸起积 碳颗粒． Head 等［27］则通过实验在很多涡中观察到了 发卡涡． 因此，可以想象当三波马赫结构的剪切层扫 过烟膜时，可能存在一个类似的烟膜擦除机制，本文希 望结合前人工作及微观尺度方法来分析烟膜擦除 机制． 环绕在管子内壁的烟膜上仅记录了爆轰面外圈上 的三波点经过的路径，想要确定离管壁较远处靠近管 轴的前导激波面形状，可把烟膜垂直于管轴放置［16］， 这样爆轰面会在该烟膜上发生反射，对于爆轰内部结 构的研究十分重要． 但是，烟膜固定在端面的难度较 高，且烟膜的厚度和不完全平整面会影响波的传播，甚 至在实验中产生的高温高压中遭到破坏，导致实验失 效，所以前期研究未能给出足够清晰的端面结构． 为 了更精确的记录端面爆轰结构，创造了烟熏玻璃来记 录端面爆轰结构的方法． 这一方法也有利于研究如何 将来自螺旋爆轰波反射的激波相交记录在端面烟膜面 上的复杂过程． 实验中使用多种气体来获得管道内壁 面结构及端面结构，以对比分析三波点在烟膜及端面 留下痕迹的机制． 并且利用端面烟熏玻璃和 H2 作为实 验气体获取了十分清晰的端面爆轰结构，这是先前的学 者所没有获得的，这将对得到爆轰内部结构做出贡献． 1 实验装置 建立管道内爆轰波传播实验装置，由爆轰管道、配 气系统、点火系统、测试及采集装置等结构组成，爆轰 管道系统如图 1 所示，钢制圆管爆轰管道，由金属驱动 段及实验段组成，驱动段长 1560 mm，内径 63. 5 mm，壁 厚 10 mm; 实验段由两段长 1200. 0 mm 的钢管构成，管 · 633 ·

赵焕娟等：爆轰波三波点擦除烟迹表面积碳机制 ·337 段间通过法兰装配而成.在驱动段远离实验段的一侧 及烟熏玻璃前使用酒精清洗薄膜及玻璃，保证薄膜及 法兰端面处安装点火塞，并在靠近点火塞位置布置 玻璃的表面清洁无油迹污渍 Shchelkin螺旋，用以加速爆燃向爆轰的转变过程， 在熏制过程中保证煤油灯火焰的稳定性，使用漏 从而在驱动段内形成稳态爆轰.驱动段外接小型驱动 网控制烟尘的尺寸，控制熏制时间，以获得均匀且厚度 气储存管，实验中使用敏感度高的C,H2+02作为驱 适中的烟熏.制造烟熏玻璃的过程应保证烟熏的直径 动气.常规的烟膜仅记录了内壁的胞格结构，为记录 与管道内径一致，玻璃的光滑面所吸附的烟尘比普通 完整的管道内部爆轰结构，在实验段末端装有烟熏玻 膜片所吸附的烟尘尺寸要更小更均匀，安装前用酒精 璃结构. 将空白部分擦拭干净，以免影响密封 选用不稳定预混气(CH+202,C,H2+5N,0)、较 安装及拆卸烟熏薄膜及烟熏玻璃的过程为：在实 稳定预混气(C,H2+2.502+8.17Ar)、稳定预混气 验管道的末端联接开槽的法兰，在开槽处安装橡胶密 (C,H2+2.50+19.83Ar,2H,+0,+3Ar)四作为实 封圈，末端法兰为开口法兰.测试主体管的密封性后， 验介质，数值为体积比.因为需要将一定量的C,H2+ 在内部管壁放置烟膜，并保证烟膜贴近管道内壁.抽 0,充入驱动段以驱动实验段内的预混气形成爆轰，为 真空的过程中将烟熏玻璃的烟熏部分对准末端法兰开 了保证实验初始压力的精确，采用分压法获得精确的 口，见图2，此时橡胶密封圈的柔性加之管道内外因抽 预混气体初始压力及驱动气压力·使用高精度 真空产生的压力差会将烟熏玻璃压在橡胶密封圈上， OMEGM3597压力表，获得0.005kPa高精度级别的绝 继续抽真空，利用压力差及玻璃光滑面与橡胶密封圈 对压力.往管段内充气方法如下：对管道系统抽真空 的接触面来保证玻璃和橡胶密封圈之间的密封，使用 后，首先断开小型金属管与驱动段间的阀门，在实验段 夹子将木板、缓冲海绵、烟熏玻璃和开槽法兰四者固 内充入预混气至压力达到P,然后在小型金属管内充 定.抽真空后，充入驱动气及实验气体，点火，爆轰结 驱动气压力至P,,之后打开阀门将驱动气平稳放入驱 束后抽真空，平稳缓慢的放入大气，扶住木板，拆卸夹 动段.连通小型金属管与驱动段，压力变为P,P既实 子，拿下木板及玻璃，取出烟膜 验初始压力.计算如下： [PV=P(V-V)', 弹簧夹 橡胶密封图 (1) P2V2=P(V2-Vo)'. 木板 式中：P,为实验前充入实验管道内的预混气压力， 实验管道 kPa;P2为充入小型金属管内的驱动气压力，kPa;V,为 实验段及连通通路体积，m:V,为小型金属管及连通 每绵 通路体积，m:V。为驱动气进入驱动管后的体积，m, 驱动需要长度为6~8D,的驱动气（经验值，D,为管 烟熏玻璃 径)，r为比热比，取为1.4.取V。计算后在管道内利 图2烟熏玻璃安装示意图 用空气进行试验，修改'。校核，至P:与计算值一致. Fig.2 Schematic diagram of smoked glass installing 速度测量系统由离子探针、示波器与信号转换器 组成.离子探针安装位置如图1所示，离子探针能快 高压点火系统由点火塞、电容组、高压供电装置、 速感应到反应面的阴阳离子变化，通过信号转换器反 触发器、隔分开关、电阻等组成.点火塞所释放出的能 馈到示波器上，获得爆轰面到达设置的离子探针的时 量约为30J.考虑到实验的重复性及可靠性，相同参数 间.爆轰实验过程中，通过计算相邻探针的间距及采 的爆轰实验均重复3次以上·由于要得到完全重复的 集信号的时间差计算出爆轰波在管道内传播的速度， 胞格结构比较困难，因此本实验中若胞格形状基本一 所获得速度为两探针中点附近的平均速度. 致，大小偏差不超过10%，即认为满足重复性要求 采用烟迹法测量爆轰波在管道内传播时的胞格结 2实验结果及分析 构变化特征.实验中采用耐高温的聚脂薄膜，根据实 验压力选取聚脂薄膜的厚度，厚度经验值为：初始压力 2.1管道内部预混气爆轰结构 低于8kPa时采用0.4mm,初始压力低于15kPa时采 通过实验中两种不稳定预混气速度曲线数据（图 用0.6mm,烟膜宽度180mm,使其装入管道内时覆盖 3),确定在距点火端2500.0mm处这两种不稳定可获 大部分管径，以记录完整的内部结构，长度为1m.采 得稳态爆轰，纵坐标为实验所测爆轰速度与C速度 用厚度为6mm的高强度玻璃，根据管道截面尺寸将玻 (即根据CJ理论计算的爆轰波稳定传播速度)a之 璃宽高尺寸加工为150mm×150mm.在制作烟熏薄膜 比.图3(a)中，CH+202在3.75kPa初始压力实验中

赵焕娟等: 爆轰波三波点擦除烟迹表面积碳机制 段间通过法兰装配而成． 在驱动段远离实验段的一侧 法兰端面处安装点火塞，并在靠近点火塞位置布置 Shchelkin 螺旋［28］，用以加速爆燃向爆轰的转变过程， 从而在驱动段内形成稳态爆轰． 驱动段外接小型驱动 气储存管，实验中使用敏感度高的 C2H2 + O2 作为驱 动气． 常规的烟膜仅记录了内壁的胞格结构，为记录 完整的管道内部爆轰结构，在实验段末端装有烟熏玻 璃结构． 选用不稳定预混气( CH4 + 2O2，C2H2 + 5N2O) 、较 稳定预 混 气 ( C2H2 + 2. 5O2 + 8. 17Ar) 、稳定 预 混 气 ( C2H2 + 2. 5O2 + 19. 83Ar，2H2 + O2 + 3Ar) ［29］作为实 验介质，数值为体积比． 因为需要将一定量的 C2H2 + O2 充入驱动段以驱动实验段内的预混气形成爆轰，为 了保证实验初始压力的精确，采用分压法获得精确的 预混气体初始压力及驱动气压力． 使 用 高 精 度 OMEGM 3597 压力表，获得 0. 005 kPa 高精度级别的绝 对压力． 往管段内充气方法如下: 对管道系统抽真空 后，首先断开小型金属管与驱动段间的阀门，在实验段 内充入预混气至压力达到 P1，然后在小型金属管内充 驱动气压力至 P2，之后打开阀门将驱动气平稳放入驱 动段． 连通小型金属管与驱动段，压力变为 Pi，Pi既实 验初始压力． 计算如下: P1Vr 1 = Pi ( V1 － V0 ) r ， P2Vr 2 = Pi ( V2 － V0 ) { r ． ( 1) 式中: P1 为实 验 前 充 入 实 验 管 道 内 的 预 混 气 压 力， kPa; P2 为充入小型金属管内的驱动气压力，kPa; V1 为 实验段及连通通路体积，m3 ; V2 为小型金属管及连通 通路体积，m3 ; V0 为驱动气进入驱动管后的体积，m3 ， 驱动需要长度为 6 ～ 8D1 的驱动气( 经验值，D1 为管 径) ，r 为比热比，取为 1. 4． 取 V0 计算后在管道内利 用空气进行试验，修改 V0 校核，至 Pi 与计算值一致． 速度测量系统由离子探针、示波器与信号转换器 组成． 离子探针安装位置如图 1 所示，离子探针能快 速感应到反应面的阴阳离子变化，通过信号转换器反 馈到示波器上，获得爆轰面到达设置的离子探针的时 间． 爆轰实验过程中，通过计算相邻探针的间距及采 集信号的时间差计算出爆轰波在管道内传播的速度， 所获得速度为两探针中点附近的平均速度． 采用烟迹法测量爆轰波在管道内传播时的胞格结 构变化特征． 实验中采用耐高温的聚脂薄膜，根据实 验压力选取聚脂薄膜的厚度，厚度经验值为: 初始压力 低于 8 kPa 时采用 0. 4 mm，初始压力低于 15 kPa 时采 用 0. 6 mm，烟膜宽度 180 mm，使其装入管道内时覆盖 大部分管径，以记录完整的内部结构，长度为 1 m． 采 用厚度为 6 mm 的高强度玻璃，根据管道截面尺寸将玻 璃宽高尺寸加工为 150 mm × 150 mm． 在制作烟熏薄膜 及烟熏玻璃前使用酒精清洗薄膜及玻璃，保证薄膜及 玻璃的表面清洁无油迹污渍． 在熏制过程中保证煤油灯火焰的稳定性，使用漏 网控制烟尘的尺寸，控制熏制时间，以获得均匀且厚度 适中的烟熏． 制造烟熏玻璃的过程应保证烟熏的直径 与管道内径一致，玻璃的光滑面所吸附的烟尘比普通 膜片所吸附的烟尘尺寸要更小更均匀，安装前用酒精 将空白部分擦拭干净，以免影响密封． 安装及拆卸烟熏薄膜及烟熏玻璃的过程为: 在实 验管道的末端联接开槽的法兰，在开槽处安装橡胶密 封圈，末端法兰为开口法兰． 测试主体管的密封性后， 在内部管壁放置烟膜，并保证烟膜贴近管道内壁． 抽 真空的过程中将烟熏玻璃的烟熏部分对准末端法兰开 口，见图 2，此时橡胶密封圈的柔性加之管道内外因抽 真空产生的压力差会将烟熏玻璃压在橡胶密封圈上， 继续抽真空，利用压力差及玻璃光滑面与橡胶密封圈 的接触面来保证玻璃和橡胶密封圈之间的密封，使用 夹子将木板、缓冲海绵、烟熏玻璃和开槽法兰四者固 定． 抽真空后，充入驱动气及实验气体，点火，爆轰结 束后抽真空，平稳缓慢的放入大气，扶住木板，拆卸夹 子，拿下木板及玻璃，取出烟膜． 图 2 烟熏玻璃安装示意图 Fig． 2 Schematic diagram of smoked glass installing 高压点火系统由点火塞、电容组、高压供电装置、 触发器、隔分开关、电阻等组成． 点火塞所释放出的能 量约为 30 J． 考虑到实验的重复性及可靠性，相同参数 的爆轰实验均重复 3 次以上． 由于要得到完全重复的 胞格结构比较困难，因此本实验中若胞格形状基本一 致，大小偏差不超过 10% ，即认为满足重复性要求． 2 实验结果及分析 2. 1 管道内部预混气爆轰结构 通过实验中两种不稳定预混气速度曲线数据( 图 3) ，确定在距点火端 2500. 0 mm 处这两种不稳定可获 得稳态爆轰，纵坐标为实验所测爆轰速度 v 与 CJ 速度 ( 即根据 CJ 理论计算的爆轰波稳定传播速度) vCJ 之 比． 图3( a) 中，CH4 + 2O2 在3. 75 kPa 初始压力实验中 · 733 ·

·338 工程科学学报，第39卷，第3期 起爆后速度经过很短时间的下降过程又重新升高，表 功获得单头螺旋结果.在极限压力附近爆轰波维持原 明起爆成功.但是图3(b)中，C,H,+5N,0在0.87kPa 有运动状态的能力是非常差的，而且C,H,+5N,0没 压力实验中起爆后经过很长一段下降过程最后在末端 有CH+202维持爆轰的能力强，在1.1kPa时出现较 压力才重新升高，此压力略高于极限压力，此时爆轰成 大的速度波动，用来形成稳态爆轰的距离也较长 18 -2.33kPa 1.6 2.36kPa 1.4 b -0.87kPa -1.00kPa 2.50kPa 1.4 4-1.06kPa -2.55 kPa 12 -1.10kPa 12 1.0 -1.40kPa ◆2.98kPa ◆1.77kPa 0.8 -3.05 kPa 0.8 。-2.07kPa 3.75kPa 2.15kPa 0.6 -4.05kPa ●-4.06kPa 0.6 2.15 kPa ◆-2.30kPa -5.21kPa 3.03kPa 10.19kPa 0.4 -3.19kPa h-13.10kPa +-4.23kPa 2700220024002600280030003200340036003800400042004400 1600180020002200240026002800300032003400360038004000 距离mm 距离/mm 图3速度曲线.(a)CH4+202:(b)C2H2+5N20 Fig.3 Velocity curves of CHa +202 detonation (a)and C2H2 +5N2O detonation (b) 将烟膜结果及烟熏玻璃结果扫描，烟膜中观察到向内延伸的痕迹.图4显示了CH+202、C,H+ 爆轰波的结构，给出在侧壁和端面烟膜上同时记录的 5N20、C,H2+2.502+8.17Ar、C,H2+2.502+19.83Am 完整螺旋爆轰结构，见图4，其中爆轰传播方向均为从 及2H,+02+3Ar的实验结果.其中，对于以上5种 左向右.端面烟膜记录了内壁烟膜上的折痕朝着管轴 预混气，压力分别为3.75、0.87、2.6、3.1和2.99kPa CH+20,3.75kD +26 CH,+20 13.1 kPa CHL-5N0 0.87kPa CH+5N.0 1.06 kPa IL+5NO 6.3kPa C且，+2.50+8.17Ar2.6kP +250+817Ar10.5kP 月+250+19.83Ar3.1kPa CH+250+1983A3.65kP 2H+0+3A2.99kPa 2H+0+3Ar3.23kPa 2H+0+3A女6.16kPa 图45种预混气侧壁及端面结果 Fig.4 Results of side-wall and end-on records of 5 mixtures

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 起爆后速度经过很短时间的下降过程又重新升高，表 明起爆成功． 但是图 3( b) 中，C2H2 + 5N2O 在 0. 87 kPa 压力实验中起爆后经过很长一段下降过程最后在末端 压力才重新升高，此压力略高于极限压力，此时爆轰成 功获得单头螺旋结果． 在极限压力附近爆轰波维持原 有运动状态的能力是非常差的，而且 C2H2 + 5N2O 没 有 CH4 + 2O2 维持爆轰的能力强，在 1. 1 kPa 时出现较 大的速度波动，用来形成稳态爆轰的距离也较长． 图 3 速度曲线． ( a) CH4 + 2O2 ; ( b) C2H2 + 5N2O Fig． 3 Velocity curves of CH4 + 2O2 detonation ( a) and C2H2 + 5N2O detonation ( b) 图 4 5 种预混气侧壁及端面结果 Fig． 4 Ｒesults of side-wall and end-on records of 5 mixtures 将烟膜结果及烟熏玻璃结果扫描，烟膜中观察到 爆轰波的结构，给出在侧壁和端面烟膜上同时记录的 完整螺旋爆轰结构，见图 4，其中爆轰传播方向均为从 左向右． 端面烟膜记录了内壁烟膜上的折痕朝着管轴 向内 延 伸 的 痕 迹． 图 4 显 示 了 CH4 + 2O2、C2H2 + 5N2O、C2H2 + 2. 5O2 + 8. 17Ar、C2H2 + 2. 5O2 + 19. 83Ar 及 2H2 + O2 + 3Ar 的实验结果． 其中，对于以上 5 种 预混气，压力分别为 3. 75、0. 87、2. 6、3. 1 和 2. 99 kPa · 833 ·

赵焕娟等：爆轰波三波点擦除烟迹表面积碳机制 ·339· 时，结果为单头螺旋结构：压力分别为4.06、1.06、 致烟熏玻璃记录的端面结果仍然有些模糊且难以辨 2.9、2.65和3.23kPa时，第二个横向模式出现：当压 认.仅2H2+0,+3Ar的端面结果清晰且碳迹堆积不 力继续增大，分别为13.1、6.3、10.57、16.23和6.16 明显 kPa时，多头螺旋已不具有固定结构.总体上，在高 2.22H2+02+3Ar单头螺旋记录 于爆轰极限压力下，预混气体在内壁和端面结果都 为了更清楚的展示结果，单独给出2H2+0,+3Ar 表现出不同的形式，前4种气体的端面结果均碳迹 单头螺旋的爆轰记录，见图5，此状态下恰能形成单头 堆积厚重、痕迹模糊不清，对于这种情况，可以将端 螺旋爆轰，但爆轰极不稳定，故重复多次实验，其结果 面结果反色，例如C2H2+2.502+8.17Ar在10.57 如图6所示.当初始压力下降，部分条件下爆轰波速 kPa下的实验结果.在C,H2+2.502+19.83Ar的结 度达到0.6。左右，速度波动十分明显.但是从端面玻 果中，随着Ar气浓度升高，烟膜上记录的胞格结构 璃和烟膜留下爆轰结构来看，并未失效或者发生驰振 变得规则且非常容易分辨，端面玻璃上单头螺旋和 爆轰.相对于学者曾给出的端面结果而言0，端面玻 双头螺旋的结果略微容易辨认，但是碳迹的堆积导 璃给出了更加清晰便于分析的结果 (a) 内部结构 内部结构 反射波 反射波 三波，点迹线 三波点迹线 d 三波点迹线 反射波 内部结构 内部结构 三波点迹线 反射波 反射波 内部结构 反整结构 三波点逵线 三波，点迹线 图52H2+02+3Ar单头螺旋爆轰结果（初始压力为2.99kPa) Fig.5 Series of end-on soot records of a single head detonation wave with initial pressure of 2.99 kPa 侧壁面上单头螺旋说明了在激波面上只有一个折 爆轰面处也明显存在非均匀能量释放 痕，并且这个折痕并没有延伸到对面的管壁上也就是 2.3三波点擦除轨迹的机制分析 随着马赫相交点朝向管轴中心移动记录消失.对于单 实验发现，在其他参数均相同的情况下，CH,+ 头螺旋爆轰，尽管侧壁上的烟膜只记录了的一个螺旋， 20,、C,H,+5N,0、C,H+2.50,+8.17Ar以及C,H,+ 但是前导激波的锋面结构则是大不相同的.图5的几 2.50,+19.83Ar4种预混气体均在烟熏薄膜上形成了 个实例为单头螺旋爆轰波在端面的一系列烟膜记录. 胞格结构，但在烟熏玻璃上形成的胞格结构并不清晰： 因为都只记录了一条螺旋，所以在侧壁上所有的结果 仅有2H,+O,+3A预混气体在烟熏薄膜和烟熏玻璃 都很相似.然而，远离管壁不同的内部结构表明，螺旋 上均留下清晰胞格结构.这说明气体特性影响爆轰波 结构一般不是固定的.径向模式与周向模式之间的相 传播时的烟迹擦除机制 互作用可能导致单头螺旋爆轰结构出现不同的内部构 图7所示为烟熏薄膜及烟熏玻璃样品的显微电 型.各图都指出了端面反射波在膜片上留下的记录， 镜.可见碳颗粒尺度仅为10m级别，在分析碳迹擦除 但是实际上反射波相对于三波点而言并不特别强烈， 机制时必须考虑分子力学.由图7可知，玻璃吸附碳 并且即使是三波点轨迹十分规则的2H2+O2+3A的 迹粒度小于膜片.这是因为，玻璃的致密度和光滑度

赵焕娟等: 爆轰波三波点擦除烟迹表面积碳机制 时，结果 为 单 头 螺 旋 结 构; 压 力 分 别 为 4. 06、1. 06、 2. 9、2. 65 和 3. 23 kPa 时，第二个横向模式出现; 当压 力继续增大，分别为 13. 1、6. 3、10. 57、16. 23 和 6. 16 kPa 时，多头螺旋已不具有固定结构． 总体上，在高 于爆轰极限压力下，预混气体在内壁和端面结果都 表现出不同的形式，前 4 种气体的端面结果均碳迹 堆积厚重、痕迹模糊不清，对于这种情况，可以将端 面结果 反 色，例 如 C2H2 + 2. 5O2 + 8. 17Ar 在 10. 57 kPa 下的实验结果． 在 C2H2 + 2. 5O2 + 19. 83Ar 的结 果中，随着 Ar 气浓度升高，烟膜上记录的胞格结构 变得规则且非常容易分辨，端面玻璃上单头螺旋和 双头螺旋的结果略微容易辨认，但是碳迹的堆积导 致烟熏玻璃记录的端面结果仍然有些模糊且难以辨 认． 仅 2H2 + O2 + 3Ar 的端面结果清晰且碳迹堆积不 明显． 2. 2 2H2 + O2 + 3Ar 单头螺旋记录 为了更清楚的展示结果，单独给出 2H2 + O2 + 3Ar 单头螺旋的爆轰记录，见图 5，此状态下恰能形成单头 螺旋爆轰，但爆轰极不稳定，故重复多次实验，其结果 如图 6 所示． 当初始压力下降，部分条件下爆轰波速 度达到 0. 6vCJ左右，速度波动十分明显． 但是从端面玻 璃和烟膜留下爆轰结构来看，并未失效或者发生驰振 爆轰． 相对于学者曾给出的端面结果而言［1］，端面玻 璃给出了更加清晰便于分析的结果． 图 5 2H2 + O2 + 3Ar 单头螺旋爆轰结果( 初始压力为 2. 99 kPa) Fig． 5 Series of end-on soot records of a single head detonation wave with initial pressure of 2. 99 kPa 侧壁面上单头螺旋说明了在激波面上只有一个折 痕，并且这个折痕并没有延伸到对面的管壁上也就是 随着马赫相交点朝向管轴中心移动记录消失． 对于单 头螺旋爆轰，尽管侧壁上的烟膜只记录了的一个螺旋， 但是前导激波的锋面结构则是大不相同的． 图 5 的几 个实例为单头螺旋爆轰波在端面的一系列烟膜记录． 因为都只记录了一条螺旋，所以在侧壁上所有的结果 都很相似． 然而，远离管壁不同的内部结构表明，螺旋 结构一般不是固定的． 径向模式与周向模式之间的相 互作用可能导致单头螺旋爆轰结构出现不同的内部构 型． 各图都指出了端面反射波在膜片上留下的记录， 但是实际上反射波相对于三波点而言并不特别强烈， 并且即使是三波点轨迹十分规则的 2H2 + O2 + 3Ar 的 爆轰面处也明显存在非均匀能量释放． 2. 3 三波点擦除轨迹的机制分析 实验发现，在其他参数均相同的情况下，CH4 + 2O2、C2H2 + 5N2O、C2H2 + 2. 5O2 + 8. 17Ar 以及 C2H2 + 2. 5O2 + 19. 83Ar 4 种预混气体均在烟熏薄膜上形成了 胞格结构，但在烟熏玻璃上形成的胞格结构并不清晰; 仅有 2H2 + O2 + 3Ar 预混气体在烟熏薄膜和烟熏玻璃 上均留下清晰胞格结构． 这说明气体特性影响爆轰波 传播时的烟迹擦除机制． 图 7 所示为烟熏薄膜及烟熏玻璃样品的显微电 镜． 可见碳颗粒尺度仅为 10 nm 级别，在分析碳迹擦除 机制时必须考虑分子力学． 由图 7 可知，玻璃吸附碳 迹粒度小于膜片． 这是因为，玻璃的致密度和光滑度 · 933 ·

·340· 工程科学学报，第39卷，第3期 1.8 ·3.00kPa -3.00kPa 4-2.99kPa 1.6 -2.99kP 1.4 4-2.99kPa -2.99kPa ◆2.99kPa 2.99 kPa ◆-2.99kPa +-2.99kPa 0.8 -2.99kPa 0.6 2001800200200240260028003000320034003600380400 距离mm 图62H2+02+3Ar速度曲线 Fig.6 Velocity curves of 2H2+02+3Ar detonation 家E08,2 家w品 图7烟膜(a)及端面玻璃()样本电镜扫描照片 Fig.7 Scanning electron microscope of smoked foil sample (a)and smoked endon glass sample (b) 高于薄膜，摩擦系数非常低（≤0.05）.因此，单位面积 3结论 玻璃吸附的碳粒数量更多，单位面积的范德华力大，则 擦除烟熏玻璃上碳粒所需的力大于烟熏薄膜的数值. (1)设计了记录精确完整的内部胞格结构的端面 CH4+202、C,H2+5N20、C2H2+2.502+8.17Ar和 玻璃记录方法，给出不稳定预混气(CH,+20,、C,H2+ C2H2+2.502+19.83Ar的C-H键与2H2+02+3Ar 5N20),较稳定预混气(C,H2+2.502+8.17Ar),稳定 的H一H键之间存在差异，分子反应时，轨道跃迁过程 预混气(C2H2+2.502+19.83Ar、2H2+02+3Ar)5种 释放的能量与爆轰波的能量有关 预混气螺旋爆轰的壁面烟膜及端面玻璃记录，发现 Ec-n=304kJ小mol<E-H=339kJ小mol. (2) 2H2+02+3Ar的端面结果清晰且碳迹堆积不明显，可 碳迹和玻璃/烟膜间靠范德华力吸附，那么因为超 以作为分析螺旋爆轰内部结构的实验气. 强氢键的存在导致2H2+O2+3A比其他气体的键能 (2)通过电镜照片与分子力学，分析了烟膜及端 可以克服更强的玻璃和碳迹之间的范德华力.即是 面玻璃的碳迹吸附能力和5种预混气的微观键能，确 2H,+02+3Ar预混气爆轰在烟熏玻璃上留下更清晰 定不可忽视气体种类及反应对烟迹机制的影响，如果 轨迹记录的原因 碳迹和玻璃/烟膜表面间是靠范德华力吸附，那么2H, 然后，考虑前4种气体的共同特性之一是反应物 +O2+3A因氢键留下清晰的痕迹在玻璃上，而其他 含有C分子，玻璃上的光滑度较高，爆轰传播过程中C 气体的键能不足以留下清晰的痕迹在玻璃上，是因为 分子的存在导致玻璃上烟迹堆积而模糊，最终端面结 不同气体键能大小的差别：而且预混气中碳的存在是 果有些地方太黑有些地方太亮而不清晰 导致烟迹不清晰的原因之一：气体反射激波强度不同 最后，因为端面结构实际上是由反射激波扫过经 也导致烟膜轨迹记录的清晰度不同. 过激波压缩的反应物所产生的，那么不同气体的反射 (3)确定得到附着力合适的烟膜和烟熏玻璃对获 激波强度不同也导致记录的清晰度不同. 得清晰的实验结果有重要作用，也就是合适的表面粗

工程科学学报，第 39 卷，第 3 期 图 6 2H2 + O2 + 3Ar 速度曲线 Fig． 6 Velocity curves of 2H2 + O2 + 3Ar detonation 图 7 烟膜 ( a) 及端面玻璃 ( b) 样本电镜扫描照片 Fig． 7 Scanning electron microscope of smoked foil sample ( a) and smoked end-on glass sample ( b) 高于薄膜，摩擦系数非常低( ≤0. 05) ． 因此，单位面积 玻璃吸附的碳粒数量更多，单位面积的范德华力大，则 擦除烟熏玻璃上碳粒所需的力大于烟熏薄膜的数值． CH4 + 2O2、C2H2 + 5N2O、C2H2 + 2. 5O2 + 8. 17Ar 和 C2H2 + 2. 5O2 + 19. 83Ar 的 C—H 键与 2H2 + O2 + 3Ar 的 H—H 键之间存在差异，分子反应时，轨道跃迁过程 释放的能量与爆轰波的能量有关． EC—H = 304 kJ·mol ＜ EH—H = 339 kJ·mol． ( 2) 碳迹和玻璃/烟膜间靠范德华力吸附，那么因为超 强氢键的存在导致 2H2 + O2 + 3Ar 比其他气体的键能 可以克服更强的玻璃和碳迹之间的范德华力． 即是 2H2 + O2 + 3Ar 预混气爆轰在烟熏玻璃上留下更清晰 轨迹记录的原因． 然后，考虑前 4 种气体的共同特性之一是反应物 含有 C 分子，玻璃上的光滑度较高，爆轰传播过程中 C 分子的存在导致玻璃上烟迹堆积而模糊，最终端面结 果有些地方太黑有些地方太亮而不清晰． 最后，因为端面结构实际上是由反射激波扫过经 过激波压缩的反应物所产生的，那么不同气体的反射 激波强度不同也导致记录的清晰度不同． 3 结论 ( 1) 设计了记录精确完整的内部胞格结构的端面 玻璃记录方法，给出不稳定预混气( CH4 + 2O2、C2H2 + 5N2O) ，较稳定预混气( C2H2 + 2. 5O2 + 8. 17Ar) ，稳定 预混气( C2H2 + 2. 5O2 + 19. 83Ar、2H2 + O2 + 3Ar) 5 种 预混气螺旋爆轰的壁面烟膜及端面玻璃记录，发现 2H2 + O2 + 3Ar 的端面结果清晰且碳迹堆积不明显，可 以作为分析螺旋爆轰内部结构的实验气． ( 2) 通过电镜照片与分子力学，分析了烟膜及端 面玻璃的碳迹吸附能力和 5 种预混气的微观键能，确 定不可忽视气体种类及反应对烟迹机制的影响，如果 碳迹和玻璃/烟膜表面间是靠范德华力吸附，那么 2H2 + O2 + 3Ar 因氢键留下清晰的痕迹在玻璃上，而其他 气体的键能不足以留下清晰的痕迹在玻璃上，是因为 不同气体键能大小的差别; 而且预混气中碳的存在是 导致烟迹不清晰的原因之一; 气体反射激波强度不同 也导致烟膜轨迹记录的清晰度不同． ( 3) 确定得到附着力合适的烟膜和烟熏玻璃对获 得清晰的实验结果有重要作用，也就是合适的表面粗 · 043 ·

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