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 ·