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·