魏佳男，馮洪慶，劉海峰

(1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.中國(guó)石油大學(xué) 新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的小型強(qiáng)化發(fā)展，在高負(fù)荷的工作條件下汽油機(jī)易引發(fā)爆震燃燒，極端條件下會(huì)引發(fā)超級(jí)爆震.劇烈的爆震燃燒易損壞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，而超級(jí)爆震發(fā)生時(shí)缸內(nèi)壓力瞬間可升高20 MPa[1].因此，了解超級(jí)爆震的發(fā)生過(guò)程有助于研究抑制措施.研究認(rèn)為超級(jí)爆震源于早于發(fā)動(dòng)機(jī)火花點(diǎn)火的早燃(preignition)，早燃引發(fā)了火焰?zhèn)鞑?deflagration)，隨后火焰?zhèn)鞑ヒl(fā)爆轟(detonation)導(dǎo)致超級(jí)爆震，整個(gè)過(guò)程被稱為火焰?zhèn)鞑マD(zhuǎn)爆轟(deflagration-to-detonation transformation，DDT)[2].提前點(diǎn)火時(shí)刻可以捕捉到普通的爆震現(xiàn)象，然而早燃具有很大的隨機(jī)性[3]，所以研究中人為的制造自燃點(diǎn)，但并非所有的早燃都能引發(fā)超級(jí)爆震.Mubarak等[4]改變熱點(diǎn)的時(shí)刻和位置探究對(duì)超級(jí)爆震的影響，結(jié)果表明早燃發(fā)生的過(guò)早不能完成DDT 轉(zhuǎn)變，這種狀態(tài)下早燃引發(fā)的火焰?zhèn)鞑ブ饾u將燃料消耗完.此時(shí)的早燃相當(dāng)于火花塞點(diǎn)火，并且Mubarak等[4]的研究中活塞壓縮程度較低(壓縮比為 9.5)，末端燃料的活性未達(dá)到引發(fā)自燃的程度.Rudloff等[5]的研究中也出現(xiàn)了早燃引發(fā)超級(jí)爆震失敗的循環(huán)，發(fā)現(xiàn)自燃能否引發(fā)強(qiáng)烈壓力震蕩取決于自燃釋放能量轉(zhuǎn)化為壓力的程度.超級(jí)爆震需要早燃是因?yàn)樾枰鹧鎮(zhèn)鞑サ膲嚎s作用來(lái)提高混合氣活性.Pan等[6]指出超級(jí)爆震與火焰?zhèn)鞑ズ湍┒嘶旌蠚庾饔脧?qiáng)度有關(guān)，火焰?zhèn)鞑ピ鰪?qiáng)了末端混合氣活性，這導(dǎo)致強(qiáng)烈的二次自燃-爆轟.綜上，超級(jí)爆震的發(fā)生一方面需要混合氣活性增強(qiáng)，如Liu等[7]的研究中相同條件下甲醇并未發(fā)生爆震，而異辛烷出現(xiàn)了超級(jí)爆震現(xiàn)象；另一方面需要適當(dāng)時(shí)刻的早燃誘導(dǎo).因此，關(guān)于超級(jí)爆震的研究中一般會(huì)提高混合氣初始的溫度和壓力[1,6]，或者使用高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造極端的熱力學(xué)條件[8]，此外引入較早的自燃熱點(diǎn)模擬早燃誘發(fā)爆震[9].

目前，關(guān)于超級(jí)爆震DDT 過(guò)程的研究是邊界條件對(duì)早燃的影響[3-4,6,8,10]以及自燃狀態(tài)[1-2,5]對(duì)超級(jí)爆震和爆震影響.基于邊界條件的研究利于發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的優(yōu)化，從而避免高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)超級(jí)爆震的發(fā)生.研究爆震與超級(jí)爆震中自燃的狀態(tài)有助于闡明超級(jí)爆震發(fā)生的深層機(jī)理.由于模擬捕捉超級(jí)爆震所需的時(shí)間和網(wǎng)格步長(zhǎng)帶來(lái)了計(jì)算負(fù)荷激增，所以當(dāng)前爆轟過(guò)程中自維持現(xiàn)象的研究較少，尤其以自燃狀態(tài)變化作為探究自維持切入點(diǎn)的研究需進(jìn)一步開展.此外，為了引發(fā)超級(jí)爆震，一般改變?cè)缛紩r(shí)刻、燃料活性和壓縮比特性[2-3,8-9]，筆者選取高壓縮比結(jié)合早燃誘發(fā)甲醇超爆，主要考慮有：(1)甲醇作為清潔燃料，具備優(yōu)異的特性，即高汽化潛熱、高含氧和抗爆震.近年來(lái)已經(jīng)在甲醇的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)劇烈爆震的存在[10-12]，作為優(yōu)異的替代燃料，其爆震的研究仍不充分，因而其爆震機(jī)理還有待深入研究；(2)從模擬計(jì)算角度，甲醇的反應(yīng)機(jī)理較復(fù)雜烷烴簡(jiǎn)單[13]，在模擬關(guān)鍵活性自由基演變過(guò)程的同時(shí)，可以減少計(jì)算開銷；(3)已有高壓縮比下成功誘發(fā)甲醇爆震的研究[8,10,12]，根據(jù)現(xiàn)有研究便于總結(jié)引發(fā)甲醇超級(jí)爆震的邊界條件.綜上，筆者通過(guò)數(shù)值模擬甲醇超級(jí)爆震燃燒，提取DDT 發(fā)生過(guò)程中缸內(nèi)信息，分析火焰?zhèn)鞑ヅc末端自燃的作用過(guò)程，根據(jù)自燃點(diǎn)狀態(tài)變化，探討爆轟在發(fā)展過(guò)程中的自維持現(xiàn)象，并分析爆轟下自燃點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律.

1 模擬方法

為了精準(zhǔn)捕捉到超級(jí)爆震中的轉(zhuǎn)變過(guò)程，選用了SAGE 燃燒模型結(jié)合Li等[13]開發(fā)的甲醇機(jī)理模擬燃燒，使用化學(xué)反應(yīng)機(jī)理易于判斷爆轟中自燃位置的活性狀態(tài).此外，大渦模擬(LES)中的一方程黏性模型被用于模擬缸內(nèi)的湍流流動(dòng)[14-16]，此模型已經(jīng)被研究人員應(yīng)用于模擬爆震燃燒，證明其具有能力模擬非正常燃燒狀態(tài)下的流動(dòng)[16].捕捉超級(jí)爆震尤其是其中自燃熱點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變需要足夠小的網(wǎng)格尺寸和計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng).網(wǎng)格的選取需考慮：(1)精準(zhǔn)捕捉到超級(jí)爆震；(2)減少計(jì)算負(fù)荷.Zhen等[10]在其研究中使用了0.125 mm 的最小網(wǎng)格和2.7 μs 的時(shí)間步長(zhǎng)，網(wǎng)格的尺寸經(jīng)過(guò)了獨(dú)立性考核，但是時(shí)間步長(zhǎng)不足以捕捉到快速的爆轟現(xiàn)象.表1 為模擬爆震選用的網(wǎng)格尺寸，模擬不結(jié)合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理時(shí)網(wǎng)格的選取較粗，為1.0～3.0 mm，普通爆震燃燒選用網(wǎng)格較粗，為0.5～2.0 mm，捕捉超級(jí)爆震的模擬所需網(wǎng)格較細(xì)，為0.1～1.0 mm.綜上，為減少計(jì)算量，并捕捉到末端自燃狀態(tài)，在進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻使用2.0 mm 基礎(chǔ)網(wǎng)格，早燃后固定網(wǎng)格變?yōu)?.0 mm，結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)最小加密到0.2 mm，時(shí)間步長(zhǎng)選用1.3 μs，用于捕捉自燃并計(jì)算壓力波速度.

表1 爆震燃燒模擬研究中網(wǎng)格的選用Tab.1 Mesh grid in knocking combustion simulation researches

為了引發(fā)超級(jí)爆震，選用高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)提高未燃燃料活性，發(fā)動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示，誘導(dǎo)早燃的熱點(diǎn)位置如圖1 所示.Wang等[20]在其甲醇和柴油雙燃料的研究中指出，上止點(diǎn)缸內(nèi)溫度低于990 K 下甲醇不會(huì)提前自燃，對(duì)應(yīng)的初始溫度為338 K.為了避免甲醇?jí)喝?，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的初始溫度為320 K.此外，為了降低計(jì)算負(fù)荷，模擬進(jìn)氣門關(guān)閉(-120°CA ATDC)到排氣門開啟(120°CA ATDC)的這段時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)初始條件如表3 所示.模型建立后與文獻(xiàn)[11—12，21]的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示.在均質(zhì)充量壓燃(HCCI)模式和火花點(diǎn)燃(SI)模式下驗(yàn)證了平均缸內(nèi)壓力，并給出了模型驗(yàn)證的運(yùn)行條件.模擬的平均缸內(nèi)壓力與文獻(xiàn)[11—12，21]數(shù)據(jù)趨勢(shì)吻合，僅HCCI 模式下在-2°CA ATDC 時(shí)相差較大，考慮到HCCI 屬于容積自燃，并且爆震燃燒的隨機(jī)性，因而所建模型具備預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程的能力.

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Engine structure parameters

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和早燃熱點(diǎn)位置Fig.1 Engine structure and location of pre-ignition

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)初始條件Tab.3 Initial conditions of engine

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的驗(yàn)證Fig.2 Verification of engine model

2 結(jié)果分析

圖3 為超級(jí)爆震下缸內(nèi)最大壓力曲線，模擬早燃時(shí)刻為-12°CA ATDC.在-2.19°CA ATDC 引發(fā)了末端混合氣自燃，引發(fā)超級(jí)爆震的自燃點(diǎn)位于左下方近壁處，從-2.19°CA ATDC 到-2.17°CA ATDC 自燃點(diǎn)成長(zhǎng)迅速，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力瞬間上升.Mubarak等[22]的研究中也發(fā)現(xiàn)在爆轟發(fā)生前末端混合氣中出現(xiàn)了一系列自燃點(diǎn)，并非單個(gè)自燃點(diǎn).圖中最大壓力超過(guò)了100 MPa，已經(jīng)超出發(fā)動(dòng)機(jī)承受范圍，通過(guò)后面的數(shù)據(jù)分析表明圖3 壓力極高部分來(lái)自相近多點(diǎn)自燃?jí)毫Σǖ南嗷D壓處，并非燃燒達(dá)到.Wang等[1]的研究中超級(jí)爆震的峰值壓力約為30 MPa，發(fā)生爆震時(shí)刻的瞬時(shí)壓力變化達(dá)19 MPa，而這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)置承受壓力為11 MPa.Qi等[23]超級(jí)爆震研究中快壓機(jī)傳感器峰值壓力已經(jīng)超越20 MPa，瞬時(shí)的壓力變化幅度也達(dá)到了14 MPa.續(xù)晗等[24]得到最高爆發(fā)壓力約為48.4 MPa，Zhen等[25]研究中超級(jí)爆震引發(fā)的缸內(nèi)最大壓力達(dá)到了48.6 MPa.考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)只能檢測(cè)布置點(diǎn)位置壓力波動(dòng)，不能檢測(cè)到缸內(nèi)不同位置的最大壓力，所以用缸內(nèi)瞬時(shí)最大壓力反映超級(jí)爆震帶來(lái)的瞬態(tài)極值壓力變化，更能有效地描述超級(jí)爆震.

圖3 缸內(nèi)最大壓力Fig.3 In-cylinder maximum pressure

為了排除高壓縮比下混合氣被壓燃的情況，去除早燃熱點(diǎn)后得到純壓縮下的缸內(nèi)溫度和壓力曲線.圖4 中壓力和溫度并未表現(xiàn)出壓縮自燃現(xiàn)象，在-2°CA ATDC 時(shí)刻缸內(nèi)的壓力為6.8 MPa，而圖3 超級(jí)爆震狀態(tài)下缸內(nèi)-2°CA ATDC 的最大壓力為14.5 MPa，意味著早燃引發(fā)的火焰?zhèn)鞑ピ斐闪?.7 MPa 的壓升.Wang等[1]超級(jí)爆震的壓力曲線反映出火焰?zhèn)鞑ルA段的壓升約為6 MPa，壓力傳感器記錄最高壓力為30 MPa.超級(jí)爆震中火焰?zhèn)鞑ナ且l(fā)DDT 的關(guān)鍵前期，早燃的時(shí)刻處于壓縮沖程，因而火焰前鋒有充足的時(shí)間傳播發(fā)展，此時(shí)火焰與活塞的雙重壓縮導(dǎo)致未燃燒混合氣開始反應(yīng)、活性升高.

圖4 去除早燃點(diǎn)純壓縮下的缸內(nèi)壓力和溫度Fig.4 In-cylinder pressure and temperature without preignition

為了闡述早燃引發(fā)的火焰?zhèn)鞑?duì)超爆的影響，圖5 展示了-3.21°CA ATDC 到-2.59°CA ATDC 階段缸內(nèi)壓力的分布和流動(dòng)情況.在-3.21°CA ATDC 時(shí)刻圖中劃分了幾處標(biāo)識(shí)區(qū)域，用于描述壓力傳遞的方向.在-3.21°CA ATDC 時(shí)刻區(qū)域A、C 和B 燃燒釋放壓力，之后區(qū)域A 和C 的壓力向區(qū)域D 匯聚，區(qū)域B處的壓力波向壁面?zhèn)鬟f，到-3.01°CA ATDC 時(shí)壓力波匯集于區(qū)域D 并向區(qū)域E 處傳遞，而區(qū)域B 處壓力被壁面反彈.從-2.82°～-2.73°CA ATDC 區(qū)域E壓力匯集，并擠壓此處的未燃混合氣，到了-2.59°CA ATDC 區(qū)域E 匯集的壓力波被壁面反彈.從-3.21°～2.50°CA ATDC 的0.71°CA ATDC內(nèi)，區(qū)域E 經(jīng)歷了匯集與壁面反彈兩次壓縮，并且區(qū)域B 也在短時(shí)間經(jīng)歷兩次壓縮.Qi等[23]對(duì)比異辛烷和甲醇的超級(jí)爆震發(fā)現(xiàn)DDT 的轉(zhuǎn)變一般都發(fā)生在近壁處，結(jié)合圖5分析造成這種現(xiàn)象的原因有：(1)近壁處壓力低，導(dǎo)致了壓力波的匯集；(2)由于壁面的作用，近壁處混合氣會(huì)在短時(shí)間內(nèi)受到壓力波的兩次壓縮.為進(jìn)一步詳細(xì)闡述圖中幾個(gè)區(qū)域熱力學(xué)狀態(tài)的變化，記錄了上述區(qū)域位置的缸內(nèi)溫度、壓力和活性自由基變化見圖6 和圖7.

圖5 爆轟前缸內(nèi)壓力波動(dòng)的傳遞Fig.5 In-cylinder pressure evolution before detonation

圖6 檢測(cè)區(qū)域中心位置處溫度和壓力變化Fig.6 Temperature and pressure curves in the center of monitor areas

圖7 檢測(cè)區(qū)域中心位置處OH和H2O2 活性自由基質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.7 Changing rates of OH and H2O2 radical mass fraction in the center of monitor areas

圖6 虛線圈代表各處自燃或者開始燃燒的時(shí)刻，箭頭標(biāo)出-5°CA ATDC 到各處自燃的時(shí)間段內(nèi)的溫升ΔT 和壓升Δp.上述7 個(gè)位置中，只有區(qū)域E、B和D 處溫度和壓力同時(shí)瞬間增大，并且區(qū)域E 發(fā)生反應(yīng)的時(shí)刻最早，區(qū)域D 處因火焰?zhèn)鞑ヒl(fā)了此處的燃燒，而區(qū)域E 和B 為瞬間自燃.在壓力和溫度曲線上區(qū)域A、A1 和C1 處都表現(xiàn)為：溫度和壓力先小幅升高，然后壓力引發(fā)溫度再次升高.結(jié)合圖3 中壓力流動(dòng)路徑可知，區(qū)域E 和B 處由于近壁易匯集壓力從而導(dǎo)致了區(qū)域自燃，圖6 中區(qū)域E 和B 呈波浪趨勢(shì)上升的壓力曲線反映了這一點(diǎn).從-5°CA ATDC到每個(gè)區(qū)域發(fā)生燃燒的時(shí)間段內(nèi)，區(qū)域E 雖然先發(fā)生了自燃，但其之前的溫升幅度和自燃前時(shí)刻溫度在這7 個(gè)區(qū)域中并非最高，反而區(qū)域C1 的溫升最大，但此處又并未引發(fā)爆轟.區(qū)域E 處的壓升幅度和自燃前壓力是這幾個(gè)記錄區(qū)域中最高的，這說(shuō)明引發(fā)超級(jí)爆震的過(guò)程中壓力因素較溫度因素更關(guān)鍵.

圖7 中除區(qū)域A外，其他區(qū)域的H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在反應(yīng)前都接近0.02，只是峰值位置不同.區(qū)域D 由于靠近火焰前鋒，所以H2O2含量較高，區(qū)域B、E、A1 和C1 因壓力波的擠壓加快了化學(xué)反應(yīng).如果以H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)代表當(dāng)?shù)貐^(qū)域化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)弱，除區(qū)域A 的其他區(qū)域從-5°CA ATDC 就開始不斷積累自由基，活性都較高，但除區(qū)域E 外其他區(qū)域并未出現(xiàn)自燃.結(jié)合圖6 來(lái)看，溫度和壓力的升高都導(dǎo)致了反應(yīng)物活性增加，但是引發(fā)DDT 還需要壓力作為觸發(fā)條件.Chen等[26]探究了壓燃和點(diǎn)燃爆震的差異，發(fā)現(xiàn)多循環(huán)下壓燃爆震的壓力峰值分布穩(wěn)定，而點(diǎn)燃爆震的峰值壓力分布不穩(wěn)定.此外在Pan等[6]提到劇烈的爆震發(fā)生與火焰?zhèn)鞑ズ妥匀键c(diǎn)之間的作用有關(guān).結(jié)合圖5 和圖6 分析可知，這種作用應(yīng)該是以火焰前鋒壓力釋放作為表現(xiàn)，導(dǎo)致了壓燃和點(diǎn)燃爆震的不同.火焰前鋒的傳播一方面扮演活塞壓縮未燃混合氣提高缸內(nèi)的能量密度；另一方面這種壓縮具有方向性，使能量在某個(gè)區(qū)域聚集而不是缸內(nèi)能量均勻升高，這也導(dǎo)致了壓燃和點(diǎn)燃爆震的不同.

Wang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，引發(fā)爆轟的已燃燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.35～0.45內(nèi)，也即剩余較多或較少的燃料都不足以引發(fā)爆轟.燃料剩余較多時(shí)表示前期的火焰?zhèn)鞑メ尫拍芰可?，這種情況下末端混合氣沒(méi)有被火焰?zhèn)鞑コ浞謮嚎s；而在較少的燃料剩余下，留給爆轟的能量就不充足，無(wú)法完成DDT 的轉(zhuǎn)換.為了進(jìn)一步探究爆轟過(guò)程，使用兩條檢測(cè)線E3-D3 和E2-D2，檢測(cè)兩條線路上溫度和壓力是如何傳遞的，兩條線分別起始于區(qū)域E 的一個(gè)爆轟自燃點(diǎn)，如圖8 所示.其中，紅點(diǎn)表示爆轟過(guò)程引發(fā)的自燃點(diǎn).

圖8 自燃熱點(diǎn)溫度和檢測(cè)線E3-D3和E2-D2示意Fig.8 Temperature of hot-spot and monitor lines of E3-D3 and E2-D2

圖9 和圖10 為區(qū)域E 發(fā)生自燃后0.14°CA 內(nèi)檢測(cè)線上的溫度、壓力和活性自由基變化，歷時(shí)約為18.2 μs.圖中標(biāo)示了每一時(shí)刻下缸內(nèi)的壓力波速度，壓力波速度以兩兩相鄰時(shí)刻壓力峰值位移計(jì)算得出，圖中箭頭表示自燃后的傳播方向，圓圈表示自燃點(diǎn)編號(hào).曲線上是否發(fā)生自燃都以自由基OH 分布判斷，如E2-D2 檢測(cè)線b 時(shí)刻上自燃點(diǎn)F 在OH 分布突然升高，結(jié)合F 處溫度和壓力的突然升高，表示此處有自燃發(fā)生.在E2-D2 檢測(cè)線上共存在F、G 和H 三個(gè)自燃點(diǎn)；在E3-D3 上存在I 和J 兩個(gè)自燃點(diǎn)，其中自燃點(diǎn)I 經(jīng)歷了兩個(gè)時(shí)刻的生長(zhǎng)，兩個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的OH自由基分布突增，表示此處自燃點(diǎn)的高溫反應(yīng).分析圖9 中時(shí)刻c 和d 的OH 和H2O2自由基曲線，自燃點(diǎn)的分布具有明顯的間隔特性，如自燃點(diǎn)F 和G 之間存在一段未燃距離，自燃點(diǎn)G 和H 之間也存在一段未燃距離，表示已燃點(diǎn)在自燃后并未向前方未燃區(qū)域推進(jìn).這種現(xiàn)象在檢測(cè)線E3-D3 上也存在，如圖10 中時(shí)刻e 下的OH 和H2O2自由基曲線，自燃點(diǎn)I和J 也間隔出現(xiàn).

圖11 為檢測(cè)線E2-D2 和E3-D3 上壓力前鋒速度和兩自燃點(diǎn)壓力波相對(duì)位置.圖中紅點(diǎn)表示此處有熱點(diǎn)產(chǎn)生，紅點(diǎn)大小表示自燃處壓力大?。粓D11b中6 條虛線兩兩相同，表示相同時(shí)刻.自燃點(diǎn)E2 和E3 發(fā)生后其壓力波速度在1.3 μs(約0.01°CA)后降低，在引發(fā)下一次自燃前兩條檢測(cè)線上的壓力波速度都在1 000 m/s 上下浮動(dòng).E2 點(diǎn)在時(shí)刻b 引發(fā)了自燃點(diǎn)F，此時(shí)的壓力波速度因自燃的產(chǎn)生加速升至1 358 m/s.結(jié)合圖11b，此時(shí)E3 點(diǎn)產(chǎn)生的壓力波按距離計(jì)算下一刻到達(dá)E2 點(diǎn)壓力波傳遞位置，如圖中紅色箭頭所示.由于E3-D3 路線壓力波的擠壓，E2-D2傳播線路在時(shí)刻c 產(chǎn)生了自燃點(diǎn)G.自燃點(diǎn)G 加速了壓力波，但是時(shí)刻d 在E3 線上壓力波速度快于E2，所以E3 壓力波于時(shí)刻e 到達(dá)H處，再次引發(fā)自燃.同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在自燃點(diǎn)E3 傳播的過(guò)程中，E3-D3傳播線路上I 處的自燃受到了E2-D2 線路上壓力波的影響.自燃的壓力波在初產(chǎn)生時(shí)速度最高，但要維持其傳播速度需要能量的迅速釋放，如果把溫度峰值當(dāng)作反應(yīng)前鋒所在的位置，圖9 和圖10 中初始?jí)毫Σㄅc反應(yīng)前鋒的速度基本一致，反應(yīng)前鋒的熱釋放足以支持壓力波的傳遞，表現(xiàn)為圖11a 中-2.14°CA ATDC 前壓力波速度的升高.之后相鄰自燃點(diǎn)釋放壓力和原線路壓力的相互擠壓導(dǎo)致了E2 和E3 后新的自燃，造成了檢測(cè)線上自燃位置隔段分布.除了自燃發(fā)生的位置，自燃點(diǎn)F、G、H、I 和J 其壓力峰值也不同，圖12 為使用Bradley 等的爆轟半島圖[28-29]確定了區(qū)域E 自燃點(diǎn)和其后引發(fā)自燃點(diǎn)的狀態(tài)變化.

圖9 不同時(shí)刻檢測(cè)線E2-D2上溫度、壓力和OH-H2O2 自由基分布Fig.9 Distribution of temperature，pressure and OH-H2O2 radicals of monitor line E2-D2 at each time

圖10 不同時(shí)刻檢測(cè)線E3-D3上溫度、壓力和OH-H2O2 自由基分布Fig.10 Distribution of temperature，pressure and OH-H2O2 radicals of monitor line E3-D3 at each time

圖11 檢測(cè)線E2-D2和E3-D3上壓力前鋒速度和兩自燃點(diǎn)壓力波相對(duì)位置Fig.11 Pressure front speed and relative position of pressure wave at two spontaneous ignition points in monitor line E2-D2 and E3-D3

圖12 中E1、E2、E3 和E4 為火焰?zhèn)鞑ヒl(fā)的自燃點(diǎn)，這4 個(gè)自燃點(diǎn)都位于爆轟半島內(nèi)，此后E2 點(diǎn)傳播引發(fā)的自燃點(diǎn)F 和G 都向圖左下移動(dòng).縱坐標(biāo)量綱為1 參數(shù)ζ 表示自燃點(diǎn)反應(yīng)前鋒的狀態(tài)，為聲速和反應(yīng)前鋒速度比值.橫坐標(biāo)量綱為1 參數(shù)ε表示化學(xué)反應(yīng)加速壓力波的能力，為聲速經(jīng)過(guò)自燃點(diǎn)所需時(shí)間和此處化學(xué)反應(yīng)激發(fā)時(shí)間比值，量綱為1 參數(shù)π 表示自燃點(diǎn)的燃燒等容程度[5].自燃點(diǎn)狀態(tài)的左下移動(dòng)表示此時(shí)反應(yīng)前鋒速度增大，即F 點(diǎn)、G 點(diǎn)的能量釋放所需時(shí)間變長(zhǎng).之后壓力波的傳遞引發(fā)了熱點(diǎn)H，自燃點(diǎn)H 的參數(shù)ζ 基本沒(méi)變，但參數(shù)ε增大表示能量釋放所需時(shí)間縮短.從E2 點(diǎn)到F 點(diǎn)到G點(diǎn)，最后到H點(diǎn)，自燃點(diǎn)的狀態(tài)表現(xiàn)為反應(yīng)前鋒速度增大，能量釋放速度先減小后增大.這種規(guī)律在E3 點(diǎn)壓力波傳播的過(guò)程也表現(xiàn)出來(lái)，自燃點(diǎn)I 反應(yīng)前鋒速度提升但能量釋放速度降低，之后自燃點(diǎn)J 的能量釋放速度再次提升.

圖12 爆轟半島示意Fig.12 Schematic of detonation peninsula

從量綱為1 參數(shù)π 的角度分析，E2 點(diǎn)到H 點(diǎn)的π 值逐漸增大，自燃點(diǎn)燃燒的等容度增大，表示能量釋放轉(zhuǎn)換為壓力的能力增強(qiáng).從E3 點(diǎn)到J 點(diǎn)的π 值逐漸增大，并且I 點(diǎn)和J 點(diǎn)的π 值超越了H點(diǎn)，所以I 點(diǎn)和J 點(diǎn)的自燃點(diǎn)壓力達(dá)到90 MPa 以上.爆轟在發(fā)展過(guò)程中要維持高速的壓力波傳遞，初始反應(yīng)前鋒速度不足以支持壓力波快速傳播，所以需要新的自燃點(diǎn)釋放能量進(jìn)行自維持.發(fā)展過(guò)程中壓力波速度越高，新的熱點(diǎn)自燃釋放能量速度就需要越快，這導(dǎo)致了I 點(diǎn)、F 點(diǎn)和G 點(diǎn)參數(shù)ε降低.參數(shù)π 不考慮時(shí)間尺度，從E2 點(diǎn)到H 點(diǎn)和E3 點(diǎn)到J 點(diǎn)一直增大，反映出燃燒過(guò)程在持續(xù)增強(qiáng)，燃料化學(xué)能釋放并轉(zhuǎn)化成壓力的能力增強(qiáng).

在超級(jí)爆震的研究中一般都會(huì)提高初始缸內(nèi)熱力學(xué)狀態(tài)，然后采用較早的點(diǎn)火時(shí)刻模擬早燃發(fā)生，反映出超級(jí)爆震對(duì)燃料活性的要求[30-31]，如果燃料的活性不滿足，即使引發(fā)了極端自燃，壓力波在傳遞過(guò)程中也無(wú)法完成自維持.圖9 和圖10 自燃點(diǎn)J 和H自燃前的H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，高活性的混合氣導(dǎo)致J 點(diǎn)和H 點(diǎn)量綱為1 參數(shù)ε增大.此外整個(gè)爆轟發(fā)展中相臨多點(diǎn)自燃釋放的壓力促進(jìn)前方混合氣自燃，使整個(gè)過(guò)程表現(xiàn)為自燃→壓力波傳遞→自燃狀態(tài)1→壓力波緩慢增強(qiáng)→自燃狀態(tài)2，自燃狀態(tài)1 下能量釋放速度相對(duì)壓力波速度減小，自燃狀態(tài)2 下能量釋放速度相對(duì)壓力波速度增大.這表明爆轟從開始到后期發(fā)展引發(fā)了兩種自燃點(diǎn)，兩種自燃點(diǎn)能量釋放速度隨著爆轟的發(fā)展逐漸增強(qiáng)，并且能量更多地轉(zhuǎn)換為了壓力.

3 結(jié)論

(1) 壓力是火焰?zhèn)鞑プ饔糜谧匀疾⒁l(fā)爆轟的主要原因；此外，近壁處引發(fā)DDT 是因?yàn)橐讌R集壓力，并在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷壓力波兩次壓縮，這不同于活塞壓縮的原因在于這種壓縮具有方向性.

(2) 維持爆轟需要壓力波前新自燃點(diǎn)能量釋放加速，量綱為1 參數(shù)ε先減小后增大，所以爆轟發(fā)展經(jīng)歷了自燃→壓力波傳遞→自燃狀態(tài)1→壓力波緩慢增強(qiáng)→自燃狀態(tài)2，自燃狀態(tài)1 下能量釋放相對(duì)壓力波速度減小，自燃狀態(tài)2 下能量釋放相對(duì)壓力波速度增大.