甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究.pdf_大学文库

工程科学学报，第38卷，第11期：1522-1531,2016年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.11:1522-1531,November 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.003:http://journals.ustb.edu.cn 甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究赵焕娟”，John H.S.LEE2,张英华)区 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)麦吉尔大学机械工程系，蒙特利尔H3A2K6,加拿大 ☒通信作者，Emai:zyhustb@163.com 摘要针对CH:这种特别气体，对其实验结果运用数字化处理方法研究CH稳定性.在内径50.8mm圆形管道内获得 CH4+20,预混气在不同初始压力条件下的胞格爆轰结果并使用烟膜记录，且测得的平均爆轰速度数据与CJ爆轰速度接近，在初始压力高于5kP妇时爆轰可稳定传播.烟膜上形成的三波点轨迹十分不规则.为减少人为误差，使用改进后的数字化处理烟膜图像的技术方法，从烟膜轨迹中得出柱状图及自相关函数结果，发现CH+20,是一种爆轰十分不稳定的气体，并给出CH4+202预混气的爆轰胞格尺寸及差距，结果显示人为测量结果偏大而数字化处理方法更为准确.这种方法能计算 CH4+20,预混气胞格尺寸及不稳定度，完善了定量化预混气不稳定程度的方法关键词甲烷：爆轰：定量分析：不规则性：图像处理：自相关分类号TD75 Quantitative irregularity analysis for spinning detonation of premixed CHa+20, ZHAO Huan-juan,John H.S.LEE2,ZHANG Ying-hua 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Mechanical Engineering,McGill University,Montreal H3A 2K6,Canada Corresponding author,E-mail:zyhustb@163.com ABSTRACT CH is a typical and special detonation mixture.Based on the experimental method,digital image processing was performed to study the detonation stability theory of methane.A premixed CH+20 mixture was ignited in a tube with an inner diam- eter of 50.8 mm under different initial pressures.Smoked foils were used to record the cellular structure of spinning detonation.The average detonation velocity measured is similar with the CJ detonation velocity and it demonstrates that steady detonation happens when the initial pressure is higher than 5 kPa.The triple point trajectory leaves a very irregular pattern in smoked foils.In order to decrease human error,the digital processing technology was utilized and improved.The CH+20 mixture shows high degree of irregularity in the computation of histograms and the autocorrelation function.The cellular size and gap of the unstable premixed CH +20 were given.It is found that the results measured by digital image processing are accurate and by eyes are too big.The research can calculate the cellular size and the degree of instability of the unstable premixed CH.+202 and improves the quantitative irregular calculation method. KEY WORDS methane;detonation:quantitative analysis:irregularities:image processing:autocorrelation 爆轰波传播过程中借助燃烧释放的化学能实现自持传播，爆轰波的这种自持燃烧特性可能给煤矿、石收稿日期：20160105 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-TP4505A1):中国博士后科学基金资助项目(2015M580049):国家自然科学基金青年科学基金资助项目(E11602017)

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期: 1522--1531，2016 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 11: 1522--1531，November 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 11． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究赵焕娟1) ，John H． S． LEE2) ，张英华1)  1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 麦吉尔大学机械工程系，蒙特利尔 H3A 2K6，加拿大  通信作者，E-mail: zyhustb@ 163． com 摘要针对 CH4 这种特别气体，对其实验结果运用数字化处理方法研究 CH4 稳定性．在内径 50. 8 mm 圆形管道内获得 CH4 + 2O2 预混气在不同初始压力条件下的胞格爆轰结果并使用烟膜记录，且测得的平均爆轰速度数据与 CJ 爆轰速度接近，在初始压力高于 5 kPa 时爆轰可稳定传播．烟膜上形成的三波点轨迹十分不规则．为减少人为误差，使用改进后的数字化处理烟膜图像的技术方法，从烟膜轨迹中得出柱状图及自相关函数结果，发现 CH4 + 2O2 是一种爆轰十分不稳定的气体，并给出 CH4 + 2O2 预混气的爆轰胞格尺寸及差距，结果显示人为测量结果偏大而数字化处理方法更为准确．这种方法能计算 CH4 + 2O2 预混气胞格尺寸及不稳定度，完善了定量化预混气不稳定程度的方法．关键词甲烷; 爆轰; 定量分析; 不规则性; 图像处理; 自相关分类号 TD75 Quantitative irregularity analysis for spinning detonation of premixed CH4 + 2O2 ZHAO Huan-juan1) ，John H． S． LEE2) ，ZHANG Ying-hua1)  1) School of Civil and Ｒesource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Department of Mechanical Engineering，McGill University，Montreal H3A 2K6，Canada  Corresponding author，E-mail: zyhustb@ 163． com ABSTＲACT CH4 is a typical and special detonation mixture． Based on the experimental method，digital image processing was performed to study the detonation stability theory of methane． A premixed CH4 + 2O2 mixture was ignited in a tube with an inner diameter of 50. 8 mm under different initial pressures． Smoked foils were used to record the cellular structure of spinning detonation． The average detonation velocity measured is similar with the CJ detonation velocity and it demonstrates that steady detonation happens when the initial pressure is higher than 5 kPa． The triple point trajectory leaves a very irregular pattern in smoked foils． In order to decrease human error，the digital processing technology was utilized and improved． The CH4 + 2O2 mixture shows high degree of irregularity in the computation of histograms and the autocorrelation function． The cellular size and gap of the unstable premixed CH4 + 2O2 were given． It is found that the results measured by digital image processing are accurate and by eyes are too big． The research can calculate the cellular size and the degree of instability of the unstable premixed CH4 + 2O2 and improves the quantitative irregular calculation method． KEY WOＲDS methane; detonation; quantitative analysis; irregularities; image processing; autocorrelation 收稿日期: 2016--01--05 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) ; 国家自然科学基金青年科学基金资助项目( E11602017) 爆轰波传播过程中借助燃烧释放的化学能实现自持传播，爆轰波的这种自持燃烧特性可能给煤矿、石

赵焕娟等：甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究 ·1523· 化、化工行业及其他存在可燃气体的场所带来严肃的的.在Lee等和Zhao等的研究中，他们最终求安全防爆问题，是一个不可忽视的研究题目.安全领助于手绘记录扫描，得到可以进行数字处理的图片. 域无可避免地涉及各种爆燃形态，有些事故难以用普在进行烟膜手绘记录时需要一定的主观性人为判通燃爆理论解释，常规研究甚少考虑爆轰.甲烷是煤断，以消除少量的杂散线和实验中误操作导致的线矿井下瓦斯气的主要成分，研究甲烷预混气的爆轰特条.实际上，CH,+20,是一种不稳定爆轰气体，但是性十分必要.许多学者使用烟膜研究爆轰现象，胞格其爆轰初始压力极限较高，相较于很多敏感且不稳结构是研究爆轰的关键0.国内的学者也对气相规则定的气体来说，CH是一种不敏感且不稳定气体，在胞格爆轰波起爆与传播进行研究-，最近在胞格形实验过程中需要十分精确地操作以避免影响不规则成机理及其量化规律方面取得了重大进展4-刀度的分析，所以目前为止少见有针对CH,的研究. Lee等圆指出，根据爆轰是否稳定，存在着两种熄在过去几十年里，尽管对爆轰的稳定性理论开展广爆机制.对于稳定爆轰，爆轰结构可以通过ZND模型泛研究，但目前仍然没有一个定量的理论，仍然缺少来描述，并且横波在爆轰传播中的作用可以忽略。相合理的分析. 反，对于不稳定爆轰，横波则起到决定性作用.左手三本文使用数字化图像技术处理实验得到的烟膜记波点轨迹和右手三波点轨迹形成的胞格结构的量化研录，研究不同初始条件下CH4+202预混气的爆轰速究在爆轰传播中非常重要.因此，定量分析甲烷预混度和爆轰不稳定程度，系统给出CH+20,预混气的气的爆轰不稳定性对完善甲烷的爆轰机理有重要意性质，以分析甲烷的爆轰机理. 义.多年来，使用烟熏过的烟膜来记录爆轰的胞格结构一直是主要的爆轰现象研究手段，三波点轨迹组成 1CH4+202预混气爆轰实验胞格结构，现在这种技术已经成为测量不稳定爆轰面 1.1实验内容胞格尺寸的标准技术网.然而，实验中获得的烟膜上该爆轰实验使用内径50.8mm的起爆管，如图1 的记录并非直线前进，为了解释这个现象并且给出选所示.实验管道由引爆管段和实验管段组成，引爆管择“代表三波点轨迹间距”数据的依据，就需要相当多材料为Q345钢，长度为1.01m:实验段材料为透明的的经验来进行实验及分析.以往描述“规则轨迹”和高强度塑料管，为便于采集数据并考虑稳固性，由两管 “不规则轨迹”分别指向“稳定爆轰”和“不稳定爆段构成，单管段长度为1900mm,两管段间靠法兰内部轰”，通常来说，烟膜轨迹来描述的“规则轨迹”和“不的橡胶圈达到密封效果.在引爆管段内充入C,H,+ 规则轨迹”的分类是定性和主观的.文献0]中所提 O,(采用化学计量配比，称为Dive气)，用于促进爆轰到的某些所谓的“稳定”的混合气（如使用Agon气体开始.实际操作中，在金属管前端外接一个小型的金进行过高度稀释的C,H2+0,和2H2+02混合气)所属管，金属管两端均设置开关，该小型金属管存储之后得到的烟膜上的记录是相当规则的，因此比较容易确充入引爆管的Dive气.首先，断开小型金属管与实验定间距.然而，对于所谓的“不稳定”的混合气（例如管道，在实验管道内充预混气的压力至P,(kPa):然 C,H2+5N20,CH,+202等)所得到的烟膜上的记录是后，在小型金属管内充Dive气压力至P2;之后，连通高度不规则的.如果爆轰是不稳定的，那么烟膜记录小型金属管和实验管道，将Drive气快速平稳地放入的结构形态也不规则实验管道，避免Dive气与实验气混合过多而影响实实际上烟膜记录的是管道内壁处三波点留下的轨验结果.小型金属管与实验管道连通后，两个管道内迹，不能定义其为胞格尺寸，爆轰波在管道中的空间结压力均变成P,,P,即是实际的实验初始压力.利用等构当前并不清楚，只能观察管壁上的情况.此处称前容条件计算所需要使用的Dive气及CH,+2O,预混面学者描述的胞格尺寸为三波点轨迹间距，以三波点气分压，计算公式如下：轨迹的不规则度来描述预混气爆轰不稳定度是合 [P V=P(V-V)', 理的 (1) 于是，需要得到更客观衡量的爆轰规律性和三 lP2☒=P,(V2+V)'. 烟膜波点轨迹不规则性的定量描述办法I-.Shepherd 50.8 mm 等u3-和Lee等圆都尝试过使用数字图像处理技术引爆 1010mm 1900mm 1900mm 进行分析.然而，如果直接扫描烟膜来获得三波点轨图1中50.8mm爆轰管道结构简图迹线是十分困难的.因为存在非均匀烟灰沉积物导 Fig.1 Detonation structure diagram with an inner diameter of 50.8 致的“灰度不均匀”和“误差”，调整“灰度”是必需 mm

赵焕娟等: 甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究化、化工行业及其他存在可燃气体的场所带来严肃的安全防爆问题，是一个不可忽视的研究题目．安全领域无可避免地涉及各种爆燃形态，有些事故难以用普通燃爆理论解释，常规研究甚少考虑爆轰．甲烷是煤矿井下瓦斯气的主要成分，研究甲烷预混气的爆轰特性十分必要．许多学者使用烟膜研究爆轰现象，胞格结构是研究爆轰的关键［1］．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［2--3］，最近在胞格形成机理及其量化规律方面取得了重大进展［4--7］． Lee 等［8］指出，根据爆轰是否稳定，存在着两种熄爆机制．对于稳定爆轰，爆轰结构可以通过 ZND 模型来描述，并且横波在爆轰传播中的作用可以忽略．相反，对于不稳定爆轰，横波则起到决定性作用．左手三波点轨迹和右手三波点轨迹形成的胞格结构的量化研究在爆轰传播中非常重要．因此，定量分析甲烷预混气的爆轰不稳定性对完善甲烷的爆轰机理有重要意义．多年来，使用烟熏过的烟膜来记录爆轰的胞格结构一直是主要的爆轰现象研究手段，三波点轨迹组成胞格结构，现在这种技术已经成为测量不稳定爆轰面胞格尺寸的标准技术［9］．然而，实验中获得的烟膜上的记录并非直线前进，为了解释这个现象并且给出选择“代表三波点轨迹间距”数据的依据，就需要相当多的经验来进行实验及分析．以往描述“规则轨迹”和 “不规则轨迹”分别指向“稳定爆轰”和“不稳定爆轰”，通常来说，烟膜轨迹来描述的“规则轨迹”和“不规则轨迹”的分类是定性和主观的．文献［10］中所提到的某些所谓的“稳定”的混合气( 如使用 Argon 气体进行过高度稀释的 C2H2 + O2 和 2H2 + O2 混合气) 所得到的烟膜上的记录是相当规则的，因此比较容易确定间距．然而，对于所谓的“不稳定”的混合气( 例如 C2H2 + 5N2O，CH4 + 2O2 等) 所得到的烟膜上的记录是高度不规则的．如果爆轰是不稳定的，那么烟膜记录的结构形态也不规则．实际上烟膜记录的是管道内壁处三波点留下的轨迹，不能定义其为胞格尺寸，爆轰波在管道中的空间结构当前并不清楚，只能观察管壁上的情况．此处称前面学者描述的胞格尺寸为三波点轨迹间距，以三波点轨迹的不规则度来描述预混气爆轰不稳定度是合理的．于是，需要得到更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［11--12］． Shepherd 等［13--14］和 Lee 等［8］都尝试过使用数字图像处理技术进行分析．然而，如果直接扫描烟膜来获得三波点轨迹线是十分困难的．因为存在非均匀烟灰沉积物导致的“灰度不均匀”和“误差”，调整“灰度”是必需的．在 Lee 等［8］和 Zhao 等［15］的研究中，他们最终求助于手绘记录扫描，得到可以进行数字处理的图片．在进行烟膜手绘记录时需要一定的主观性人为判断，以消除少量的杂散线和实验中误操作导致的线条．实际上，CH4 + 2O2 是一种不稳定爆轰气体，但是其爆轰初始压力极限较高，相较于很多敏感且不稳定的气体来说，CH4 是一种不敏感且不稳定气体，在实验过程中需要十分精确地操作以避免影响不规则度的分析，所以目前为止少见有针对 CH4 的研究．在过去几十年里，尽管对爆轰的稳定性理论开展广泛研究，但目前仍然没有一个定量的理论，仍然缺少合理的分析．本文使用数字化图像技术处理实验得到的烟膜记录，研究不同初始条件下 CH4 + 2O2 预混气的爆轰速度和爆轰不稳定程度，系统给出 CH4 + 2O2 预混气的性质，以分析甲烷的爆轰机理． 1 CH4 +2O2 预混气爆轰实验图 1 50. 8 mm 爆轰管道结构简图 Fig． 1 Detonation structure diagram with an inner diameter of 50. 8 mm 1. 1 实验内容该爆轰实验使用内径 50. 8 mm 的起爆管，如图 1 所示．实验管道由引爆管段和实验管段组成，引爆管材料为 Q345 钢，长度为 1. 01 m; 实验段材料为透明的高强度塑料管，为便于采集数据并考虑稳固性，由两管段构成，单管段长度为 1900 mm，两管段间靠法兰内部的橡胶圈达到密封效果．在引爆管段内充入 C2H2 + O2 ( 采用化学计量配比，称为 Drive 气) ，用于促进爆轰开始．实际操作中，在金属管前端外接一个小型的金属管，金属管两端均设置开关，该小型金属管存储之后充入引爆管的 Drive 气．首先，断开小型金属管与实验管道，在实验管道内充预混气的压力至 P1 ( kPa) ; 然后，在小型金属管内充 Drive 气压力至 P2 ; 之后，连通小型金属管和实验管道，将 Drive 气快速平稳地放入实验管道，避免 Drive 气与实验气混合过多而影响实验结果．小型金属管与实验管道连通后，两个管道内压力均变成 PT，PT即是实际的实验初始压力．利用等容条件计算所需要使用的 Drive 气及 CH4 + 2O2 预混气分压，计算公式如下: P1Vγ 1 = PT ( V1 － V0 ) γ ， P2Vγ 2 = PT ( V2 + V0 ) { γ ． ( 1) ·1523·

·1524· 工程科学学报，第38卷，第11期式中：V,为实验管道及连通通路体积，m:V,为小型金预混气高压瓶中，充罐后预混气放置24h以上后才能属管及连通通路体积，m3:V。为Dive气在实验管道内开始使用，以确保罐内不同气体均匀混合的体积，m3,甲烷气引爆需要长度为6~8个实验管道 1.2实验结果直径的Drive气：y为绝热指数，取1.4. 起爆后，将管内抽真空然后缓慢放入大气，以保证在实验段管道后端放入1.0m长已经均匀熏制的不要在烟膜上形成冲刷痕迹.取出烟膜后均匀喷透明膜片，称为烟膜.根据实验经验，CH+202预混气的的保护漆，为后续手描做好准备.烟膜记录螺旋爆轰极限引爆（爆轰）初始压力为5kPa,所用烟膜的厚度应的结构，取初始压力5（单头）、7.25、10、13和19kPa 大于0.04mm. 烟膜见图2，随初始压力的增高，逐渐演变为多胞格，在实验段管道外壁固定装有光纤，当爆轰面传播胞格尺寸减小.CH,+2O,的螺旋表现出比较弯曲复到某处时，因为爆轰面的物质仍在进行化学反应，会有杂的结构.胞格内出现许多细弱的线.在许多较大的光的产生，被光纤感知后信号传输到数据盒，可以从示胞格中能够观察到三波点轨迹的增长，这些三波点轨波器读取光纤感光时间，光纤间的距离也可测得，即可迹的增长由爆轰胞格中精细的三波点轨迹的形态来显通过公式计算出爆轰速度. 示.追踪一条痕迹线时，发现胞格有时相互融合，减少所有的爆炸性混合物都已预先在高压瓶由分压的了三波点轨迹的数量：有时出现更多的三波点轨迹模方法制备，通过控制面板将不同气体分别安全输入到式，影响着主干模式. 图2不同初始压力下CH4+202预混气烟膜记录.(a)5kPa:(b)7.25kPa:(c)10kPa:(d)13kPa:(e)19kPa Fig.2 Smoked foil records of the premixed CHa +20,under different initial pressures:(a)5 kPa:(b)7.25 kPa:(c)10kPa:(d)13kPa:(e) 19kPa 记录示波器上爆轰波到达的时间，计算出每一处 12 的平均速度，不同初始压力下的爆轰平均速度与C爆轰速度比见图3，其中横轴为传播距离，纵轴为爆轰波 1.0 速度v与CJ爆轰速度g之比.由图3可见，5kPa的初始压力下形成爆轰且没有熄灭，结果有效 0.9 0.8 2结果分析 > 初始压力 -4.0kPa -7.25 kPa 2.1烟膜数字化处理。4.5kPa ◆10.0kPa 0.6 -5.0 kPa ←13.1kPa 为了获得三波点轨迹间距，将三波点轨迹线分为 0.5 两个方向，与传播方向之间夹角的角度在0°~90°间 2000 2400 2800 3200 36004000 的称为右旋波，角度在-90°~0间的称为左旋波.因传播距离/mm 图3不同初始压力下CH,+20,爆轰速度曲线此对于每张烟膜，选择清晰区域后，在经历人为去噪后获得右旋波图和左旋波图，如图4所示.图中“heta Fig.3 Velocity curves of the premixed CHa +202 under different in- -”代表左旋heta+”代表右旋. itial pressures 以三波点轨迹间距的波动代表轨迹的不规则度，置，即交点处像素点值记为1，其他的像素点值记为0，见图5.编制图像处理程序，进行数字化处理，见图6. 每一个像素都被离散数值化，于是就将图片转化得到首先，获得每一个左旋或者右旋波的离散函数. 一个离散函数.一幅垂直线方向高度为139.3mm的如图6所示，当一条垂直线在左旋或者右旋波运动，碰图片，且其垂直线的像素离散点的数量是660（真正的到三波点轨迹线时即记录下这个线上突变的像素的位直线长度是139.3mm),一条垂直线的离散图如

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期式中: V1为实验管道及连通通路体积，m3 ; V2 为小型金属管及连通通路体积，m3 ; V0为 Drive 气在实验管道内的体积，m3 ，甲烷气引爆需要长度为 6 ～ 8 个实验管道直径的 Drive 气; γ 为绝热指数，取 1. 4．在实验段管道后端放入 1. 0 m 长已经均匀熏制的膜片，称为烟膜．根据实验经验，CH4 + 2O2 预混气的极限引爆( 爆轰) 初始压力为 5 kPa，所用烟膜的厚度应大于 0. 04 mm．在实验段管道外壁固定装有光纤，当爆轰面传播到某处时，因为爆轰面的物质仍在进行化学反应，会有光的产生，被光纤感知后信号传输到数据盒，可以从示波器读取光纤感光时间，光纤间的距离也可测得，即可通过公式计算出爆轰速度．所有的爆炸性混合物都已预先在高压瓶由分压的方法制备，通过控制面板将不同气体分别安全输入到预混气高压瓶中，充罐后预混气放置 24 h 以上后才能开始使用，以确保罐内不同气体均匀混合． 1. 2 实验结果起爆后，将管内抽真空然后缓慢放入大气，以保证不要在烟膜上形成冲刷痕迹．取出烟膜后均匀喷透明的保护漆，为后续手描做好准备．烟膜记录螺旋爆轰的结构，取初始压力 5 ( 单头) 、7. 25、10、13 和 19 kPa 烟膜见图 2，随初始压力的增高，逐渐演变为多胞格，胞格尺寸减小． CH4 + 2O2 的螺旋表现出比较弯曲复杂的结构．胞格内出现许多细弱的线．在许多较大的胞格中能够观察到三波点轨迹的增长，这些三波点轨迹的增长由爆轰胞格中精细的三波点轨迹的形态来显示．追踪一条痕迹线时，发现胞格有时相互融合，减少了三波点轨迹的数量; 有时出现更多的三波点轨迹模式，影响着主干模式．图 2 不同初始压力下 CH4 + 2O2 预混气烟膜记录． ( a) 5 kPa; ( b) 7. 25 kPa; ( c) 10 kPa; ( d) 13 kPa; ( e) 19 kPa Fig． 2 Smoked foil records of the premixed CH4 + 2O2 under different initial pressures: ( a) 5 kPa; ( b) 7. 25 kPa; ( c) 10 kPa; ( d) 13 kPa; ( e) 19 kPa 记录示波器上爆轰波到达的时间，计算出每一处的平均速度，不同初始压力下的爆轰平均速度与 CJ 爆轰速度比见图 3，其中横轴为传播距离，纵轴为爆轰波速度 v 与 CJ 爆轰速度 vcj之比．由图 3 可见，5 kPa 的初始压力下形成爆轰且没有熄灭，结果有效． 2 结果分析 2. 1 烟膜数字化处理为了获得三波点轨迹间距，将三波点轨迹线分为两个方向，与传播方向之间夹角的角度在 0° ～ 90°间的称为右旋波，角度在－ 90° ～ 0°间的称为左旋波．因此对于每张烟膜，选择清晰区域后，在经历人为去噪后获得右旋波图和左旋波图，如图 4 所示．图中“theta － ”代表左旋，“theta + ”代表右旋．以三波点轨迹间距的波动代表轨迹的不规则度，见图 5．编制图像处理程序，进行数字化处理，见图 6．首先，获得每一个左旋或者右旋波的离散函数．如图 6 所示，当一条垂直线在左旋或者右旋波运动，碰到三波点轨迹线时即记录下这个线上突变的像素的位图 3 不同初始压力下 CH4 + 2O2 爆轰速度曲线 Fig． 3 Velocity curves of the premixed CH4 + 2O2 under different initial pressures 置，即交点处像素点值记为 1，其他的像素点值记为 0，每一个像素都被离散数值化，于是就将图片转化得到一个离散函数．一幅垂直线方向高度为 139. 3 mm 的图片，且其垂直线的像素离散点的数量是 660 ( 真正的直线长度是 139. 3 mm) ，一条垂直线的离散图如 ·1524·

赵焕娟等：甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究 ·1525· CH,+20,7.25 kPa theta (a) CH,f20,7.25 kPa theta'" (a CH,+20,10 kPa theta (b,) CH,+20,10 kPa theta" CH,+20,13 kPa theta CH,+20,13 kPa theta" CH,+20,19 kPa theta (d) CH,+20,19 kPa theta' (d) 图4不同初始压力下CH4+202爆轰左旋波及右旋波.(a1)7.25kPa,左旋波图：(a2)7.25kPa,右旋波图：(b1)10kPa,左旋波图：(b2) 10kPa,右旋波图：(c)13kPa,左旋波图：(c)13kPa,右旋波图：(d1)19kPa,左旋波图：(d2)19kPa,右旋波图 Fig.4 Two sets of patterns of the premixed CH+20 under different initial pressures:(a)7.25 kPa,left-running transverse wave:(az)7.25 kPa,right-tunning transverse wave:(b)10kPa,left-running transverse wave:(b2)10kPa,right-running transverse wave:(c)13 kPa,left-tun- ning transverse wave:(c2)13kPa,right-running transverse wave:(d)19kPa,left-running transverse wave:(d)19kPa,right-running transverse wave 与三波点轨迹线的交点坐标，那么一条竖线上相邻交交波点轨迹间距点的距离就是三波点轨迹间距，因为实际的三波点轨 ·爆轰传播方向交点迹总是因为相互干涉等原因而弯曲，因此三波点轨迹间距是一个范围，这个范围及分布情况与爆轰稳定度交点 ·垂直线有关图5三波点轨迹间距示意图为比较烟膜的三波点轨迹间距数据的差别，采用 Fig.5 Sketch of triple point trajectory spacing 等三波点轨迹间距和等数据比例两种方法来得到柱状图6(a)所示.在该左旋波图上画二十垂直线，采集到图.(1)尝试不同间距尺寸后，将间距数据每5mm定总共有660×20=13200个离散点，如图6(b)所示.然为一个间距（即一个柱子），作柱状图，会有不同比率后，通过程序计算两个相邻1之间的距离，即三波点轨的数据数量落在这15个柱子上，比较柱子的高低及分迹间距布情况即可给出不规则程度，见图7所示；(2)将间距 2.2三波点轨迹间距柱状图数据范围等比例均分为15份，作柱状图，会有不同比在单向三波点轨迹图上画一条竖线，记录下竖线率的数据数量落在这15个柱子上，比较柱子的高低及 1.0 1.06 0.9 (a) 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 01 0.1 00 100 200 300400 500 600 2000 4000 0008000 1000012000 像索离散点像素离散点 1×660 20×660 图6对图5三波点轨迹的离散化.(a)一条垂直线对应的离散结果：(b)20条垂直线的离散结果 Fig.6 Discretization of the triple point trajectory in Fig.5:(a)discretization to one line:(b)discretization to twenty lines

赵焕娟等: 甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究图 4 不同初始压力下 CH4 + 2O2 爆轰左旋波及右旋波． ( a1 ) 7. 25 kPa，左旋波图; ( a2 ) 7. 25 kPa，右旋波图; ( b1 ) 10 kPa，左旋波图; ( b2 ) 10 kPa，右旋波图; ( c1 ) 13 kPa，左旋波图; ( c2 ) 13 kPa，右旋波图; ( d1 ) 19 kPa，左旋波图; ( d2 ) 19 kPa，右旋波图 Fig． 4 Two sets of patterns of the premixed CH4 + 2O2 under different initial pressures: ( a1 ) 7. 25 kPa，left-running transverse wave; ( a2 ) 7. 25 kPa，right-running transverse wave; ( b1 ) 10 kPa，left-running transverse wave; ( b2 ) 10 kPa，right-running transverse wave; ( c1 ) 13 kPa，left-running transverse wave; ( c2 ) 13 kPa，right-running transverse wave; ( d1 ) 19 kPa，left-running transverse wave; ( d2 ) 19 kPa，right-running transverse wave 图 5 三波点轨迹间距示意图 Fig． 5 Sketch of triple point trajectory spacing 图 6 对图 5 三波点轨迹的离散化． ( a) 一条垂直线对应的离散结果; ( b) 20 条垂直线的离散结果 Fig． 6 Discretization of the triple point trajectory in Fig． 5: ( a) discretization to one line; ( b) discretization to twenty lines 图 6( a) 所示．在该左旋波图上画二十垂直线，采集到总共有 660 × 20 = 13200 个离散点，如图 6( b) 所示．然后，通过程序计算两个相邻 1 之间的距离，即三波点轨迹间距． 2. 2 三波点轨迹间距柱状图在单向三波点轨迹图上画一条竖线，记录下竖线与三波点轨迹线的交点坐标，那么一条竖线上相邻交点的距离就是三波点轨迹间距，因为实际的三波点轨迹总是因为相互干涉等原因而弯曲，因此三波点轨迹间距是一个范围，这个范围及分布情况与爆轰稳定度有关．为比较烟膜的三波点轨迹间距数据的差别，采用等三波点轨迹间距和等数据比例两种方法来得到柱状图． ( 1) 尝试不同间距尺寸后，将间距数据每 5 mm 定为一个间距( 即一个柱子) ，作柱状图，会有不同比率的数据数量落在这 15 个柱子上，比较柱子的高低及分布情况即可给出不规则程度，见图 7 所示; ( 2) 将间距数据范围等比例均分为 15 份，作柱状图，会有不同比率的数据数量落在这 15 个柱子上，比较柱子的高低及 ·1525·

赵焕娟等：甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究 ·1527· 25 CH,+2O,7.25 kPatheta CH,+20,7.25 kPa theta' 20 (a) 20 (a) 15 10 50 07.2514.521.752936.2543.550.7558652572.57975879425101.5 0612182430364248546066727884 间距/m 间距/mm 20 30 CH,+20,10 kPa theta CH,+20,10 kPa theta" 16 (b) b,) 12 5 0612182430364248546066727884 06.51319.52632.53945.55258.56571.57884.591 间距mm 间矩/mm CH,+20,13 kPa theta CH,+20,13 kPa theta* c a 15 5 4759.5142519237528533253842.75475522557617566.5 612182430364248546066727884 间距/mm 间距/mm CH,+20,19 kPa theta CH,+20,19 kPa theta" (d) 20 (d) 25 05 15 10 10 052510.515.752126.2531.536.754247.2552.557.756368.2573.5 03.757.511.251518.7522326253033.7537.541.254548.75525 间距/mm 间距/mm 图8CH4+202预混气爆轰三波点轨迹间距数据等比例柱状图.(a1）7.25kPa,左旋：(a2)7.25kPa,右旋：(b1)10kPa,左旋： (b2)10kPa,右旋：(c,)13kPa,左旋：(c2)13kPa,右旋：(d1)19kPa,左旋：(d2)19kPa,右旋 Fig.8 Histograms with the same ratio of triple point trajectory spacing of the premixed CHa +202:(a)7.25 kPa,left-running transverse wave:(a)7.25 kPa,right-running transverse wave:(b)10 kPa,left-running transverse wave:(b2)10kPa,right-running transverse wave: (c)13 kPa,left-running transverse wave:(c2)13 kPa,right-running transverse wave:(d)19 kPa,left-running transverse wave:(d2)19 kPa,right-running transverse wave 时计算出所有间距数据的平均值.两个方向的三波点CH,+20,三波点轨迹间距.自相关函数可以表述一轨迹所得到的方差比较一致，CH,+20,的方差值均集种信号在移动一定距离的条件下与本身重复的程度. 中在很高的数值(14.4~24.1mm之间)，表现出典型使用自相关来定量不规则度的不稳定爆轰特性. 以序列函数x(n)记录离散函数（见图6示例），含 2.4自相关有1和0的离散信号.n是离散点的数量：x是离散点的从柱状图的结果来看，柱状图不能清晰地给出值，由1和0构成.初始函数x(n)中有M个单元.如果

·1528· 工程科学学报，第38卷，第11期 n是偶数，则M等于n:如果n是一个奇数，则M取n- 如果三波点轨迹完全规则，那么间距的离散函数 1.y(n)是x(n)的零填充序列平移函数，平移值是m. 在被平移一定间距后仍会与原函数重复.也只有平移 M [x(n),0≤n≤2 距离就是间距的倍数时，规则的间距对应的离散函数 y(n)= (2) 才会与平移后的离散函数完全重复.自相关函数(au- M 0, <n≤M tocorrelation function,后文称为ACF)可以计算出这个平移间距及其倍数，也就是间距及其倍数，而自相关函最后，得到如下x(n)的自相关函数pa(m): 数的第一个峰值对应的平移距离就是三波点轨迹的间 .1 M-1ml -1 a=C,m]=M x(n)y(n+Iml), 距.即使是不完全规则的三波点轨迹线，自相关函数的第一个峰值也代表出现频率最高的三波点轨迹间 0≤lml≤2 (3) 距.得到甲烷氧气预混气爆轰记录的离散化数据的式中，C,m]是x(n)和y(n)的互相关函数1- 自相关函数结果，见图9 8( (a) CH,+20,7.25 kPa theta (a, CH,+20,7.25 kPa theta" 61 6 3 2 432 0 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 间距/mm 间距/mm 1.0 1.0 (b) CH,+20,10 kPa theta (b,) CH,+20,10 kPa theta 0.8 0.8 0.4 02 0.2 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 0 0 70 间距/mm 间距/mm 14 (c CH,+20,13 kPa theta- CH,+20,13 kPa theta" 12 C 1 08 02 20 30 40 50 0 10 20 0 40 50 M0 间距/m 间距/mm 14 1.4 12 (d) CH,+20,19 kPa theta 3 CH,+20,19 kPa theta" 1.0 1 0 0.6 0 0.4 0.4 30 40 50 60 10 30 40 50 60 间距/mmm 间距/mm 图9CH4+202预混气爆轰三波点轨迹自相关结果.(a1)7.25kPa,左旋：(a2)7.25kPa,右旋：(b1)10kPa,左旋：(b2)10kPa,右旋： (c)13kPa,左旋：(c,)13kPa,右旋：(d,)19kPa,左旋：(d,)19kPa,右旋 Fig.9 ACF results of the triple point trajectory of the premixed CHa +202:(a)7.25 kPa,left-running transverse wave:(a)7.25 kPa,right- running transverse wave:(b)10kPa,left-running transverse wave:(b2)10kPa,right-running transverse wave:(c)13kPa left-running transverse wave:(c2)13 kPa,right-running transverse wave:(d)19 kPa,left-running transverse wave:(d2)19 kPa,right-running transverse wave

赵焕娟等：甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究 ·1529* 从图6(b)中可见，有距离十分相近的竖线.这是 000100001000010000,使其在垂直线和三波点轨迹线由于手工描画中画笔粗度大于1像素而导致像素连的交叉留一个突变点1.改进后的自相关结果更清晰续，可以将离散函数中的相连的1进行优化，使自相关地表现出峰值，但抹去一部分后面出现的小峰值，这些函数的结果更为显著.使用这种思路对Lee的自相关小峰值可能代表其他出现频率较高的间距.将离散函计算进行改进的办法圆.举例来说，x(n)= 数优化后，得到改进后的CH,+20,预混气爆轰轨迹 000111001110011100,把这个离散函数改进为线离散化数据的自相关函数结果，见图10 (a) CH.+20.7.25 kPa theta (a) CH,+20,7.25 kPa theta' 2 10 20 30 40 50 60 7 10 20 40 50 60 70 间距/mm 间距/mm 3.5 CH,+20,10 kPa theta' 3.0 CH,+20,10 kPa theta 1.0 0.5 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 间距/mm 间距/mm 4.5 4.5 4.0 (c CH,+20,13 kPa theta 4.0 (c,} CH,+20,13 kPa theta* 3.5 3.5 05 15 0305 1.0 0.5 0.5 20 30 40 0 60 70 20 30 40 50 60 间距/mm 间距/mm 4.5 4.0 (d) CH +20,19 kPa theta" d CH,+20,19 kPa theta' 3 3.0 1.5 1.0 0.5 20 30 40 50 60 70 0 40 50 60 70 间距/mm 间距/mm 图10改进的CH4+202预混气爆轰三波点轨迹自相关结果.(a1)7.25kPa,左旋：(a2)7.25kPa,右旋：(b1)10kPa,左旋：(b2)10 kPa,右旋：(c1)13kPa,左旋：(c2)13kPa,右旋：(d)19kPa,左旋：(d2)19kPa,右旋 Fig.10 Improved ACF results of the triple point trajectory of the premixed CHa+20,:(a)7.25 kPa,left-running transverse wave:(a)7.25 kPa,right-tunning transverse wave:(b)10kPa,left-running transverse wave:(b2)10kPa,right-tunning transverse wave:(c)13 kPa,left-tun- ning transverse wave:(c2)13kPa,right-tunning transverse wave:(d)19kPa,left-running transverse wave:(d2)19kPa,right-running transverse wave 2.5三波点轨迹间距数据差距距直接反映了不规则度，见图11(a)和图11(b) 如果三波点轨迹完全规则，那么四种方法给出的将数字化方法获得的左旋轨迹平均值、柱状图峰间距应该一致，所以预混气爆轰烟膜轨迹的间距的差值及自相关函数第一个峰值对应的间距结果与以往学

赵焕娟等: 甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究从图 6( b) 中可见，有距离十分相近的竖线．这是由于手工描画中画笔粗度大于 1 像素而导致像素连续，可以将离散函数中的相连的 1 进行优化，使自相关函数的结果更为显著．使用这种思路对 Lee 的自相关计算进行改进的办法［8］．举例来说，x ( n ) = 000111001110011100，把这个离散函数改进为 000100001000010000，使其在垂直线和三波点轨迹线的交叉留一个突变点 1．改进后的自相关结果更清晰地表现出峰值，但抹去一部分后面出现的小峰值，这些小峰值可能代表其他出现频率较高的间距．将离散函数优化后，得到改进后的 CH4 + 2O2 预混气爆轰轨迹线离散化数据的自相关函数结果，见图 10．图 10 改进的 CH4 + 2O2 预混气爆轰三波点轨迹自相关结果． ( a1 ) 7. 25 kPa，左旋; ( a2 ) 7. 25 kPa，右旋; ( b1 ) 10 kPa，左旋; ( b2 ) 10 kPa，右旋; ( c1 ) 13 kPa，左旋; ( c2 ) 13 kPa，右旋; ( d1 ) 19 kPa，左旋; ( d2 ) 19 kPa，右旋 Fig． 10 Improved ACF results of the triple point trajectory of the premixed CH4 + 2O2 : ( a1 ) 7. 25 kPa，left-running transverse wave; ( a2 ) 7. 25 kPa，right-running transverse wave; ( b1 ) 10 kPa，left-running transverse wave; ( b2 ) 10 kPa，right-running transverse wave; ( c1 ) 13 kPa，left-running transverse wave; ( c2 ) 13 kPa，right-running transverse wave; ( d1 ) 19 kPa，left-running transverse wave; ( d2 ) 19 kPa，right-running transverse wave 2. 5 三波点轨迹间距数据差距如果三波点轨迹完全规则，那么四种方法给出的间距应该一致，所以预混气爆轰烟膜轨迹的间距的差距直接反映了不规则度，见图 11( a) 和图 11( b) ．将数字化方法获得的左旋轨迹平均值、柱状图峰值及自相关函数第一个峰值对应的间距结果与以往学 ·1529·

·1530. 工程科学学报，第38卷，第11期 40a ·-ACF首蜂值 400 ·一ACF首蜂值 ·柱状图峰值 ·一柱状图峰值 35 平均值一平均值一人为测量值一人为测量值 30 25 20 20 最大差 15 10 10 5 10 1520 25 30 35 5 10 15202530 35 压力/kPa 压力/kPa 80 (c) -·-ACF首峰值。一柱状图峰值计算处理 60 ▲-平均值 --Laberge结果 50 40 304 20 6 8101214161820222426 压力/kPa 图11CH+20,预混气爆轰三波点轨迹间距结果差距.(a)左旋：(b)右旋：(c)与其他学者的结果对比的 Fig.11 Triple point trajectory spacing of the premixed CHa+20,measured by four methods:(a)left-tunning transverse wave:(b)right-running transverse wave;(e)comparison with other results 者所得到数据进行比较，得到图I1(c).对比结果显 (3)给出不同初始条件下CH+20,预混气的胞示，通过减噪数字化处理得到的结果跟其他学者的结格结构及尺寸.与以往学者数据比较，验证了所得到果趋势一致，且其他学者人为观察的数据都高于数字数据的正确性，并且发现以往人为测量的数据偏高. 化处理得到数据，说明在一定误差内，人为测量得到的数据是可信的，虽然人为测量没有数字化处理的工作参考文献效率及低误差 [1]Trotsyuk A V,Fomin P A,Vasil'ev AA.Numerical study of cel- 3结论 lular detonation structures of methane mixtures.J Loss Prev Process (1)本文的实验研究得出，内径50.8mm圆形管 md,2015,36:394 2]Jiang Z L,Teng HH.Research on some fundamental problems of 道内测得的CH,+20,预混气的平均爆轰速度数据与 the universal frame work for regular gaseous detonation initiation CJ爆轰速度接近.初始压力高于5kPa时，获得自持爆 and propagation.Sci Sin Phys Mech Astron,2012,42(4):421 轰传播.即使爆轰速度为0.6也可能持续爆轰，可见 (姜宗林，膝宏辉.气相规则胞格爆轰波起爆与传播统一框架 CH,+202爆轰不敏感、不稳定且不容易受内部噪声的的几个关键基础问题研究.中国科学：物理学，力学，天文影响.实验结果给出不同初始压力条件下CH,+202 学，2012,42(4)：421) 预混气爆轰烟膜，烟膜上形成的三波点轨迹十分不 B]Zhang B.Bai C H.Research progress on the dynamic characteris- 规则. tics of gaseous detonation.Sci Sin Phys Mech Astron,2014,44 (7):665 (2)给出数字化处理烟膜图像的技术方法，减少 (张博，白春华.气相爆轰动力学特征研究进展.中国科学：人为误差.从烟膜轨迹中计算出的三波点轨迹间距数物理学，力学，天文学，2014,44(7)：665) 据的柱状图、方差曲线、自相关函数结果与其他预混气 4] Xu X F,Xie L F,Peng J H,et al.Study on the detonation cellu- 进行对比后发现，CH,+202是一种爆轰十分不稳定的 lar structure of propylene epoxide-air.Explos Shock Wares,2004, 气体.完善定量化预混气不稳定程度的方法，可以系 24(2):158 统地分析不同预混气的不稳定程度. (徐晓峰，解立峰，彭金华，等.环氧丙烷一空气混合物爆轰

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期图 11 CH4 + 2O2 预混气爆轰三波点轨迹间距结果差距． ( a) 左旋; ( b) 右旋; ( c) 与其他学者的结果对比［16］ Fig． 11 Triple point trajectory spacing of the premixed CH4 + 2O2 measured by four methods: ( a) left-running transverse wave; ( b) right-running transverse wave; ( c) comparison with other results ［16］者所得到数据进行比较，得到图 11( c) ．对比结果显示，通过减噪数字化处理得到的结果跟其他学者的结果趋势一致，且其他学者人为观察的数据都高于数字化处理得到数据，说明在一定误差内，人为测量得到的数据是可信的，虽然人为测量没有数字化处理的工作效率及低误差． 3 结论 ( 1) 本文的实验研究得出，内径 50. 8 mm 圆形管道内测得的 CH4 + 2O2 预混气的平均爆轰速度数据与 CJ 爆轰速度接近．初始压力高于5 kPa 时，获得自持爆轰传播．即使爆轰速度为 0. 6vcj也可能持续爆轰，可见 CH4 + 2O2 爆轰不敏感、不稳定且不容易受内部噪声的影响．实验结果给出不同初始压力条件下 CH4 + 2O2 预混气爆轰烟膜，烟膜上形成的三波点轨迹十分不规则． ( 2) 给出数字化处理烟膜图像的技术方法，减少人为误差．从烟膜轨迹中计算出的三波点轨迹间距数据的柱状图、方差曲线、自相关函数结果与其他预混气进行对比后发现，CH4 + 2O2 是一种爆轰十分不稳定的气体．完善定量化预混气不稳定程度的方法，可以系统地分析不同预混气的不稳定程度． ( 3) 给出不同初始条件下 CH4 + 2O2 预混气的胞格结构及尺寸．与以往学者数据比较，验证了所得到数据的正确性，并且发现以往人为测量的数据偏高．参考文献［1］ Trotsyuk A V，Fomin P A，Vasil'ev A A． Numerical study of cellular detonation structures of methane mixtures． J Loss Prev Process Ind，2015，36: 394 ［2］ Jiang Z L，Teng H H．Ｒesearch on some fundamental problems of the universal frame work for regular gaseous detonation initiation and propagation． Sci Sin Phys Mech Astron，2012，42( 4) : 421 ( 姜宗林，滕宏辉．气相规则胞格爆轰波起爆与传播统一框架的几个关键基础问题研究．中国科学: 物理学，力学，天文学，2012，42( 4) : 421) ［3］ Zhang B，Bai C H．Ｒesearch progress on the dynamic characteristics of gaseous detonation． Sci Sin Phys Mech Astron，2014，44 ( 7) : 665 ( 张博，白春华．气相爆轰动力学特征研究进展．中国科学: 物理学，力学，天文学，2014，44( 7) : 665) ［4］ Xu X F，Xie L F，Peng J H，et al． Study on the detonation cellular structure of propylene epoxide--air． Explos Shock Waves，2004， 24( 2) : 158 ( 徐晓峰，解立峰，彭金华，等．环氧丙烷--空气混合物爆轰 ·1530·

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