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 ·