張曉源 盧子寅 李進(jìn)平 張仕忠 陸星宇 陳 宏

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

引言

有關(guān)粉塵爆炸的試驗(yàn)研究,始于對(duì)工業(yè)安全的考慮.特定條件下粉塵與空氣形成可燃混合物,一旦遇到點(diǎn)火源,就會(huì)引發(fā)燃燒并產(chǎn)生爆炸.在19 世紀(jì)中葉就開(kāi)始有研究煤粉、鋁粉和農(nóng)作物等粉塵爆炸特性的相關(guān)試驗(yàn)[1-4].為了更好地理解和預(yù)防粉塵爆炸,先后開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究.根據(jù)參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)形態(tài)的區(qū)別,可將粉末與氣體混合物的爆轟現(xiàn)象分為3 類(lèi)[5]:(1)多相爆轟,在爆轟過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是固態(tài)顆粒與氣體之間的多相反應(yīng),通?？扇嘉飪H為固態(tài)顆粒;(2)混合爆轟,可燃物既有固態(tài)顆粒又有氣體,在爆轟過(guò)程中,既有氣體間的化學(xué)反應(yīng),又有固態(tài)顆粒與氣體的反應(yīng),區(qū)別于多相爆轟,混合爆轟情況更加復(fù)雜;(3)含塵氣體爆轟,固態(tài)顆粒是惰性的,不參加化學(xué)反應(yīng),爆轟過(guò)程中反應(yīng)只發(fā)生于氣體之間.

金屬粉末作為一種新型燃料,具有密度大和燃燒焓高等優(yōu)勢(shì),并且綠色環(huán)保,易于運(yùn)輸和保存,在航天推進(jìn)中扮演著重要的角色,有效增大了固體推進(jìn)劑的比沖[6-7].而金屬粉末在應(yīng)用中最主要的問(wèn)題是其往往難以點(diǎn)燃,對(duì)點(diǎn)火和起爆的要求高.金屬粉末與燃料混合使用,將有希望克服這樣的缺點(diǎn).作為新型空天技術(shù)的發(fā)展方向之一,爆轟推進(jìn)技術(shù)通過(guò)爆轟波點(diǎn)燃燃料,與傳統(tǒng)的基于燃燒的推進(jìn)系統(tǒng)相比,可以實(shí)現(xiàn)更快、更完全的燃燒,提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和性能[8-9].目前,在脈沖爆轟、旋轉(zhuǎn)爆轟和斜爆轟等方面的研究與發(fā)展中,爆轟推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[10-13],但其中固體燃料的應(yīng)用研究相對(duì)較少[14-16].有研究表明,將某些金屬粉末與其他燃料混合使用,通過(guò)提高火焰速度、溫度和壓力上升率,可以提高爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和推力水平[17].當(dāng)金屬粉末和可燃?xì)怏w同時(shí)存在,并與空氣混合發(fā)生爆轟時(shí),金屬粉末和可燃?xì)怏w都將反應(yīng)釋熱,其中存在復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程.金屬粉末在爆轟推進(jìn)技術(shù)上的應(yīng)用基于對(duì)爆轟波的理論認(rèn)識(shí),需要充分的試驗(yàn)研究成果來(lái)支撐.

金屬粉末/空氣爆轟研究領(lǐng)域擁有豐富的試驗(yàn)研究成果[18-22],這些成果揭示了金屬粉末爆轟的特性、波陣面結(jié)構(gòu)以及爆燃轉(zhuǎn)爆轟等重要現(xiàn)象,加深了對(duì)金屬粉末爆轟機(jī)理的理解.針對(duì)金屬粉末/氣體混合爆轟現(xiàn)象的研究,Zhang 等[22-23]和Veyssiere等[24-26]兩組研究團(tuán)隊(duì)分別采用水平和直立式結(jié)構(gòu)的爆轟管,選用了μm 級(jí)的鋁粉,混合氣體多為富氧的乙炔/空氣或者氫氣/空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的雙波面爆轟波結(jié)構(gòu).在對(duì)混合爆轟現(xiàn)象的復(fù)雜性與多樣性進(jìn)行分析之后,分別給出了對(duì)混合爆轟波結(jié)構(gòu)的分類(lèi),使我們對(duì)單波面、雙波面等混合爆轟現(xiàn)象有了基本的認(rèn)識(shí)與了解.

本文關(guān)注高溫水蒸氣為主體的燃?xì)庵袖X粉點(diǎn)火燃燒特性對(duì)混合爆轟現(xiàn)象的影響,開(kāi)展了鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟試驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)在當(dāng)量比的氫氣/空氣混合氣體中進(jìn)行,氣相爆轟后高溫產(chǎn)物中的主要氧化劑成分是水蒸氣.高溫燃?xì)鈼l件下鋁粉的點(diǎn)火燃燒特性直接對(duì)混合爆轟現(xiàn)象產(chǎn)生影響.通過(guò)對(duì)混合爆轟現(xiàn)象的深入分析,歸納混合爆轟波的結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,了解金屬燃料粉末在復(fù)雜環(huán)境中的點(diǎn)火與燃燒特性.對(duì)混合爆轟現(xiàn)象的深入認(rèn)知,將利于爆轟技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.

1 混合爆轟現(xiàn)象

在混合爆轟現(xiàn)象中,燃料既來(lái)源于混合物中的可燃?xì)怏w,也來(lái)源于散布在氣體中的可燃顆粒,爆轟波依靠這兩部分的化學(xué)釋熱來(lái)維持.顆粒相的點(diǎn)火延遲和燃燒時(shí)間與氣相的相比,相差一個(gè)甚至數(shù)個(gè)量級(jí),因而混合爆轟的釋熱過(guò)程復(fù)雜.在頭激波之后,化學(xué)反應(yīng)區(qū)域更長(zhǎng),釋熱順序的不同將引起混合爆轟多種不同的波系結(jié)構(gòu).

根據(jù)ZND 理論,激波后是一段反應(yīng)區(qū),反應(yīng)區(qū)末端是化學(xué)反應(yīng)完成后的爆轟產(chǎn)物[27].混合爆轟中氣相間的化學(xué)反應(yīng)在波陣面后迅速完成,而金屬粉末由于傳熱和相變等物理過(guò)程,反應(yīng)慢一步發(fā)生.氣相間爆轟首先產(chǎn)生高溫燃?xì)?之后鋁粉與氣相爆轟產(chǎn)物中的氧化劑反應(yīng)釋熱.富氧的氣體爆轟所得的燃?xì)庵?存在O2,H2O 及CO2等氧化劑.相對(duì)于氣相爆轟波,鋁粉點(diǎn)火延遲時(shí)間的不同,導(dǎo)致了混合爆轟波結(jié)構(gòu)存在不同的類(lèi)型.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析,Zhang 等[22-23]與Veyssiere 等[24-26]在各自的文獻(xiàn)中,對(duì)混合爆轟波的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類(lèi).(1)單波面結(jié)構(gòu):在單波結(jié)構(gòu)的情況下,爆轟波由氣相間的反應(yīng)釋熱和顆粒相的反應(yīng)釋熱同時(shí)支持,僅有一個(gè)波面.該情況下顆粒相的化學(xué)反應(yīng)延遲時(shí)間較短,能夠在氣相爆轟波音速面之前開(kāi)始反應(yīng).(2)雙波面結(jié)構(gòu):特點(diǎn)是存在兩個(gè)波面.第一道波面由氣相間的化學(xué)反應(yīng)釋熱支持,第二道波面由顆粒相與氣相產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)釋熱支持.顆粒相的反應(yīng)點(diǎn)火延遲在氣相爆轟波聲速面之后,因而不能影響第一道波;但是顆粒相的反應(yīng)釋熱卻足夠劇烈,因此產(chǎn)生了第二道波.(3)偽氣相爆轟:當(dāng)顆粒相的點(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng),在爆轟波音速面之后遠(yuǎn)處才發(fā)生顆粒相的化學(xué)反應(yīng),爆轟波就只能得到氣相間化學(xué)反應(yīng)釋熱的支持.對(duì)于爆轟波而言,顆粒相的化學(xué)反應(yīng)毫無(wú)作用,這種情形稱(chēng)為偽氣相爆轟.

在混合爆轟中既含有氣相間的反應(yīng),又含有兩相反應(yīng),而金屬顆粒由于傳熱和相變等物理過(guò)程,其反應(yīng)慢一步發(fā)生.對(duì)于氫/氧/氮?dú)怏w與鋁金屬粉末混合物,在激波后氣相的氫/氧反應(yīng)較快完成,而固體鋁粉顆粒的氧化反應(yīng)則相對(duì)慢很多,因而鋁粉反應(yīng)區(qū)較長(zhǎng),爆轟波結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示.

圖1 混合爆轟結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hybrid detonation

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

混合爆轟試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,采用臥式爆轟管,由爆轟試驗(yàn)段、點(diǎn)火段、真空泄爆段和揚(yáng)塵系統(tǒng)等構(gòu)成,并配套有真空與供氣系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng).點(diǎn)火段、爆轟試驗(yàn)段與真空泄爆段三者之間由膜片隔開(kāi).爆轟試驗(yàn)段內(nèi)徑224 mm,長(zhǎng)度13 m.在當(dāng)量比的氫氣/空氣混合氣體中氮?dú)庹急容^大,由小口徑的射流發(fā)火管直接起始爆轟很困難[28],如果點(diǎn)火能量不足,容易產(chǎn)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟的現(xiàn)象,不利于試驗(yàn)觀測(cè),因此采用等直徑的點(diǎn)火段將試驗(yàn)段起爆.點(diǎn)火段長(zhǎng)3 m,管中充入當(dāng)量比的氫氣與氧氣,易于起爆.由射流發(fā)火管首先將點(diǎn)火段起爆,爆轟波擊破點(diǎn)火段與試驗(yàn)段之間的膜片后,再起爆試驗(yàn)段.真空泄爆段用于收集和清理粉塵,并且可以降低反射波壓力峰,提高試驗(yàn)的安全性.

圖2 混合爆轟管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the hybrid detonation tube

2.2 揚(yáng)塵系統(tǒng)

使用揚(yáng)塵系統(tǒng)可以獲得分布較均勻的粉塵氣體混合物,圖3 給出了揚(yáng)塵結(jié)構(gòu)剖面圖,U 型粉槽固定在炮管的底部,用于盛放鋁粉,揚(yáng)塵管架于粉槽的正上方.在揚(yáng)塵管正下方開(kāi)有一列直徑1 mm 的小孔正對(duì)粉槽,小孔間隔為5 cm.如圖3(b)所示,小孔噴出氮?dú)?將粉槽內(nèi)的鋁粉揚(yáng)起.揚(yáng)塵管內(nèi)通入的氮?dú)庥蓤D2 中的電磁閥進(jìn)行控制.選用2 m 長(zhǎng)的有機(jī)玻璃管代替爆轟管進(jìn)行揚(yáng)塵效果試驗(yàn)驗(yàn)證,觀測(cè)鋁粉的揚(yáng)起和塵降情況.利用遮光法,采用光強(qiáng)傳感器測(cè)量粉塵的相對(duì)均勻性.根據(jù)實(shí)際的揚(yáng)塵效果,確定了揚(yáng)塵氮?dú)獾膲毫?.0 MPa,電磁閥開(kāi)閥時(shí)間600 ms.圖4 給出了試驗(yàn)過(guò)程視頻的截圖,鋁粉塵的濃度約100 g/m3.揚(yáng)塵氮?dú)鈬娙肭?鋁粉均勻鋪在粉槽內(nèi);電磁閥開(kāi)啟后氮?dú)鈬娙?粉塵沿管底同時(shí)躍起;之后粉塵充分散布于管內(nèi),管一端的光源發(fā)出的光線,幾乎被粉塵完全遮擋而變暗.

圖3 揚(yáng)塵管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of dispersion tube

圖4 揚(yáng)塵效果試驗(yàn)視頻截圖Fig.4 Screenshot of dust effect test video

試驗(yàn)前管內(nèi)預(yù)先加入鋁粉,根據(jù)鋁粉總質(zhì)量和管內(nèi)體積可估算揚(yáng)塵鋁粉濃度.試驗(yàn)時(shí)首先利用揚(yáng)塵結(jié)構(gòu)將鋁粉揚(yáng)起,電磁閥開(kāi)閥信號(hào)持續(xù)600 ms,閥關(guān)閉后點(diǎn)火.發(fā)火管先將點(diǎn)火段起爆,點(diǎn)火段內(nèi)爆轟波向下游傳播,破膜后引爆試驗(yàn)段.

2.3 鋁粉

考慮到μm 級(jí)、nm 級(jí)的球形鋁粉在含能材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景.采用μm 級(jí)和nm 級(jí)的球形鋁粉開(kāi)展試驗(yàn),4 種μm 級(jí)鋁粉的名義粒徑分別為40 μm,20 μm,10 μm 和1 μm,nm 級(jí)鋁粉的名義粒徑100 nm.利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)鋁粉的粒徑分布情況,同時(shí)進(jìn)行能譜分析獲取鋁粉的實(shí)際鋁含量.圖5 是通過(guò)掃描電子顯微鏡觀測(cè)5 種規(guī)格鋁粉獲得的照片.可以看到5 種鋁粉顆粒形貌基本接近球形,粒徑小的鋁粉球形度更好,并且無(wú)明顯的團(tuán)簇現(xiàn)象.

圖5 鋁粉掃描電鏡照與鋁粉顆粒尺寸分布Fig.5 Aluminum powder scanning electron microscope photo and particle size distribution

圖5 鋁粉掃描電鏡照與鋁粉顆粒尺寸分布 (續(xù))Fig.5 Aluminum powder scanning electron microscope photo and particle size distribution (continued)

由鋁粉的掃描電鏡照片可以統(tǒng)計(jì)得出各規(guī)格鋁粉的粒徑尺寸分布情況,如圖5 所示.名義粒徑40 μm鋁粉,質(zhì)量占比89.0%粒徑在20～50 μm 內(nèi);名義粒徑20 μm 鋁粉有89.6%在13～31 μm 內(nèi);名義粒徑10 μm 鋁粉有88.6% 在6～14 μm 內(nèi);名義粒徑1 μm 鋁粉有88.0% 在0.5～2.1 μm 內(nèi);名義粒徑100 nm 鋁粉有85.6%在70～150 nm 內(nèi).5 種鋁粉的粒徑分布區(qū)別明顯,粒徑的不同直接決定了鋁粉的點(diǎn)火延遲與燃燒特性,從而將對(duì)混合爆轟波產(chǎn)生影響.

微米級(jí)鋁粉表面為自然氧化,粒徑100 nm 表面采用烴類(lèi)包覆處理.通過(guò)掃描電鏡能譜分析,給出鋁粉樣本的元素組成.名義粒徑10 μm,20 μm 和40 μm的鋁粉中的鋁含量均達(dá)到98%以上;名義粒徑1 μm鋁粉的鋁含量為91.4%;名義粒徑100 nm 鋁粉活性鋁含量在85%～90%之間.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)狀態(tài)

混合爆轟試驗(yàn)預(yù)充氣體為當(dāng)量比的氫氣和空氣,因揚(yáng)塵需要充入的氮?dú)饬靠梢罁?jù)試驗(yàn)段的壓力增量測(cè)算得出,試驗(yàn)中實(shí)際H2/O2/N2混合氣體的摩爾比為2:1:4.3.在沒(méi)有鋁粉的氣相爆轟對(duì)比試驗(yàn)中,保證混合氣體比例相同.混合氣體初始?jí)毫? bar(1 bar=100 kPa),根據(jù)爆轟波理論,在CJ 條件下氣相爆轟波計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1,CJ 壓力14.87 bar,理論爆速1923 m/s.點(diǎn)火段的氣體是當(dāng)量比的氫氣和氧氣,初始?jí)毫?.8 bar,略低于試驗(yàn)段混合氣體,以防止試驗(yàn)段形成過(guò)爆轟.微米級(jí)鋁粉濃度在300 g/m3左右,100 nm 鋁粉濃度約150 g/m3,試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)表2.

表1 氣相爆轟理論計(jì)算結(jié)果Table 1 Theoretical results of gas phase detonation

表2 混合爆轟實(shí)驗(yàn)工況Table 2 Hybrid detonation test condition

3.2 雙波面爆轟實(shí)驗(yàn)結(jié)果

名義粒徑40 μm 和20 μm 的鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟試驗(yàn)中,混合爆轟波呈現(xiàn)出雙波峰的結(jié)構(gòu).圖6 所示的壓力曲線是沿激波管布置的壓力傳感器所測(cè)得的,該壓力曲線給出了爆轟波面經(jīng)過(guò)各測(cè)點(diǎn)位置而產(chǎn)生的壓力變化.S為測(cè)點(diǎn)位置與點(diǎn)火段膜片間的距離,第一個(gè)測(cè)點(diǎn)緊靠膜片S=0 m,各測(cè)點(diǎn)之間間隔2 m,共7 個(gè)測(cè)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)段起爆后,爆轟波經(jīng)歷了兩個(gè)階段:分別是發(fā)展階段和穩(wěn)定階段.試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),爆轟波為普通的單峰結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖6(a) 和圖6(b)中S=0 m 處的壓力曲線.發(fā)展階段爆轟波向下游的傳播過(guò)程中,從單峰中逐漸剝離出第二道波峰,并最終形成了穩(wěn)定的雙波面結(jié)構(gòu).

圖6 壓力曲線測(cè)量結(jié)果Fig.6 Pressure records of a hybrid detonation

名義粒徑40 μm 時(shí),在S=6 m 位置形成了雙波面混合爆轟波結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖6(a),圖中同時(shí)給出了沒(méi)有鋁粉的純氣相爆轟波壓力曲線作為對(duì)比.雙波結(jié)構(gòu)第一道波的波速為1.87 km/s,與純氣相爆轟波的波速1.88 km/s 接近,且在混合爆轟波的發(fā)展和穩(wěn)定階段保持勻速.從S=0～6 m 混合爆轟波的發(fā)展中,可以觀察到,第二道波由第一道波中逐漸剝離而出.在形成穩(wěn)定的雙波結(jié)構(gòu)后,第一道波壓力峰值略低于純氣相的爆轟波.由S=6～12 m 的壓力跳躍,兩波之間的距離在逐漸拉大,第二道波波速為1.67 km/s,比第一道波慢.在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中,該值為1.69 km/s,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重復(fù)性.

名義粒徑20 μm 時(shí),混合爆轟波發(fā)展更快,由圖6(b)可見(jiàn),在S=4 m 位置第二道波峰就已經(jīng)形成了.第一道波波速為1.86 km/s,同樣與純氣相爆轟的波速接近,第一道波峰壓力略低于純氣相爆轟波.雙波峰間的距離基本不變,第二道波的波速為1.89 km/s,與第一道波接近.20 μm 鋁粉混合爆轟第二道波峰壓力增幅較大,明顯高于40 μm 鋁粉.

由名義粒徑40 μm 和20 μm 鋁粉的混合爆轟試驗(yàn)結(jié)果可知,雙波面混合爆轟波結(jié)構(gòu)中第一道波是由氣相反應(yīng)支持的爆轟波,與純氣相爆轟對(duì)比試驗(yàn)獲得的爆速與爆壓接近.對(duì)于第一道波,鋁粉并沒(méi)有參與化學(xué)反應(yīng)釋熱,相反地還從中吸收能量,增加了自己的動(dòng)能與熱能,所以第一道波爆速與爆壓會(huì)略低于純氣相爆轟.粉塵被燃?xì)饬骷訜峒铀?將從氣流中吸收熱能和動(dòng)能,對(duì)爆轟波而言是能量的損耗,從而造成了爆速降低.在粉塵的質(zhì)量濃度相同時(shí),粒徑越小動(dòng)能與熱量的傳遞越快,粉塵吸收的能量越多,從而爆轟波的能量損失越大.經(jīng)過(guò)第一道波后,氣相的爆轟產(chǎn)物近似達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài),由于氫和空氣是當(dāng)量比的,所以主要的氧化劑是H2O,以及微量的O2,NO 等.因此,第一道波后的混合物是鋁粉與氣相爆轟產(chǎn)物的混合.隨著爆轟產(chǎn)物高溫燃?xì)鈱?duì)鋁粉的加熱,當(dāng)鋁粉達(dá)到了點(diǎn)火條件便發(fā)生了點(diǎn)火釋熱,第二道波就是由鋁粉化學(xué)反應(yīng)釋熱而產(chǎn)生的.鋁粉粒徑的減小,增大了接觸面,加速了鋁粉與燃?xì)忾g的熱量傳遞,因此鋁粉的點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短.正如圖1 所示,鋁粉的點(diǎn)火延遲逐漸接近第一道波,但只要鋁粉的釋熱發(fā)生于聲速面之后,就不會(huì)影響到第一道波.

3.3 單波面爆轟實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在名義粒徑10 μm,1 μm 和100 nm 的實(shí)驗(yàn)中,鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟波不再是雙波面結(jié)構(gòu),壓力曲線表現(xiàn)為單波峰,如圖7 所示.由圖7(a)中試驗(yàn)段管壁上的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)可得,10 μm 鋁粉混合爆轟波波速1.84 km/s,略低于純氣相爆速,但是爆轟波壓力峰值有明顯的增加,增幅達(dá)到約30%.爆速?zèng)]有增加,說(shuō)明激波的支持依然只受到氣相化學(xué)反應(yīng)釋熱,并沒(méi)有其他新的能量來(lái)源對(duì)激波產(chǎn)生影響.而壓力峰值卻大幅地增加,又說(shuō)明了鋁粉點(diǎn)火燃燒確實(shí)發(fā)生了.出現(xiàn)這種情形只能是鋁粉在氣相爆轟波聲速面之后發(fā)生了點(diǎn)火燃燒,但是由于雙波結(jié)構(gòu)間隔很近幾乎重合,在壓力曲線上無(wú)法辨識(shí).由圖6 雙波結(jié)構(gòu)可以看到,隨著粒徑的減小,第二道波的速度是增加的,在名義粒徑20 μm 時(shí),雙波面間隔就穩(wěn)定在了0.3 ms 左右.氫氧氣相爆轟CJ 聲速面距離激波面僅為毫米量級(jí)[27,29],當(dāng)前激波速度1.9 km/s 的情況下,時(shí)間間隔約0.5 μs.如果雙波面的第二道波緊貼第一道聲速面,即使有理想的數(shù)據(jù)采集條件,壓力傳感器的端面尺寸至少得小于1 mm 才有可能捕捉的到兩次壓力階躍,目前還沒(méi)有這樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試能力.由圖7(a)壓力曲線可見(jiàn),10 μm 鋁粉的點(diǎn)燃進(jìn)一步提前,但依然在聲速面之后,不能支持第一道激波.雖然試驗(yàn)測(cè)量中無(wú)法辨識(shí),但是可以判定該情況下雙波結(jié)構(gòu)緊貼,在試驗(yàn)壓力曲線上發(fā)生了重合,呈現(xiàn)出單波結(jié)構(gòu).

圖7 壓力曲線測(cè)量結(jié)果Fig.7 Pressure records of a hybrid detonation

1 μm 鋁粉也表現(xiàn)為單波面爆轟波,但仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)存在明顯的區(qū)別.由圖7(b)所示,比較有無(wú)鋁粉時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),加入鋁粉后,爆速有了明顯增加,爆轟波從S=0 m 到達(dá)S=12 m 所需要的時(shí)間為6.23 ms,比無(wú)鋁粉時(shí)減少了0.16 ms,爆轟波速度達(dá)到了1.93 km/s.爆速的增加是由于激波面除了受到氣相化學(xué)反應(yīng)釋熱的支持以外,有了新的能量來(lái)源,唯一可能的能量來(lái)源就是鋁粉的燃燒釋熱.在聲速面之前就已經(jīng)發(fā)生了鋁粉的點(diǎn)火,并且開(kāi)始釋放出化學(xué)能.但爆速的增加也只是小幅的增加,鋁粉的燃燒釋熱在聲速面前只是部分的釋出.從壓力峰值可以看出,1 μm 鋁粉混合爆轟波壓力峰值增量比10 μm 鋁粉小,僅10%左右.

名義粒徑100 nm 鋁粉的表面由烴類(lèi)包覆,作為納米級(jí)鋁粉且無(wú)氧化層,其點(diǎn)火延遲更短.但試驗(yàn)結(jié)果中并沒(méi)有得到爆速與爆壓都明顯增加的混合爆轟波.爆速1.91 km/s,比沒(méi)有鋁粉的純氣相爆轟略快,但沒(méi)有快于1 μm 鋁粉;壓力峰值比1 μm 鋁粉高,但低于10 μm 鋁粉的壓力峰值.該現(xiàn)象表明100 nm 鋁粉也只有少部分釋熱對(duì)激波產(chǎn)生支持,由于激波音速面距離很短,即使是達(dá)到了納米級(jí)的鋁粉,也不能在1 mm 的音速面之前將完整的化學(xué)反應(yīng)釋熱過(guò)程完成.名義粒徑10 μm,1 μm 和100 nm 的混合爆轟波雖然試驗(yàn)得到的都是單波面結(jié)構(gòu),但爆速和爆壓上區(qū)別明顯.鋁粉點(diǎn)燃時(shí)刻與聲速面的位置關(guān)系以及鋁粉燃燒速率決定了壓力峰值大小.壓力峰值是任何爆轟裝置都需要關(guān)注的參數(shù),試驗(yàn)結(jié)果表明相同條件下混合爆轟波并不是金屬粉塵粒徑越小,壓力峰值就越高.在本文的研究條件范圍內(nèi),當(dāng)鋁粉點(diǎn)火延遲位于第一道聲速面時(shí),將產(chǎn)生最大的壓力峰值.

3.4 混合爆轟波結(jié)構(gòu)分析

將鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟波的測(cè)試結(jié)果歸納于表3 之中.鋁粉粒徑較大時(shí),混合爆轟波呈現(xiàn)雙波面結(jié)構(gòu);粒徑較小時(shí)為單波面的結(jié)構(gòu).基于試驗(yàn)結(jié)果的分析表明,鋁粉的點(diǎn)火燃燒特性,影響了混合爆轟波結(jié)構(gòu).特別是鋁粉的點(diǎn)火延遲相對(duì)于氣相爆轟聲速面的位置關(guān)系,對(duì)爆轟波結(jié)構(gòu)起了決定性作用.當(dāng)鋁粉的點(diǎn)火延遲遠(yuǎn)離氣相爆轟聲速面,可以得到雙波面混合爆轟波結(jié)構(gòu);當(dāng)其點(diǎn)火延遲接近氣相爆轟聲速面但稍有落后時(shí),由于傳感器尺度與響應(yīng)有限,測(cè)量結(jié)果為單波峰,波爆速?zèng)]有增加但壓力峰值增加很大;當(dāng)鋁粉點(diǎn)火延遲在氣相爆轟聲速面之前,鋁粉的燃燒對(duì)第一道激波產(chǎn)生了支持,混合爆轟為單波面結(jié)果,爆速與壓力峰值都較純氣相狀態(tài)有明顯的提升.

如圖1 所示的鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟波結(jié)構(gòu)中,混合均勻的氫氣與空氣在頭激波的反應(yīng)迅速,而鋁粉則慢一步與高溫的氣相燃燒產(chǎn)物H2O 繼續(xù)反應(yīng).為了說(shuō)明鋁粉在高溫燃燒產(chǎn)物H2O 中的點(diǎn)火延遲對(duì)混合爆轟波結(jié)構(gòu)起到的關(guān)鍵作用.基于一維的ZND 模型,針對(duì)如圖1 所示的定常的混合爆轟波雙波結(jié)構(gòu),計(jì)算混合爆轟波中鋁粉的點(diǎn)火延遲.建立氣相和顆粒相各自的守恒方程,引入交互項(xiàng)以表征兩項(xiàng)之間的動(dòng)量交換和熱傳導(dǎo)[30-31].計(jì)算模型中假設(shè):鋁粉顆粒為球形,尺寸相同,溫度單一且均勻;顆粒體積忽略,氣相為完全氣體;不考慮管壁的摩擦與傳熱.顆粒相守恒方程

其中,σp和vp是質(zhì)量濃度與顆粒速度,ep是顆粒內(nèi)能,f和q分別表示顆粒和氣體之間的動(dòng)能交換和熱傳導(dǎo).氣相守恒方程

氣體的狀態(tài)方程為

式中,ρg和vg是氣體的濃度與速度,γ和R分別為氣體比熱比和氣體常數(shù),Qgas為氣相反應(yīng)釋熱量.采用二階段化學(xué)反應(yīng)模型來(lái)描述氣相反應(yīng)[32]

其中Qg為氣相化學(xué)反應(yīng)放熱,β表征了放熱反應(yīng)階段的進(jìn)程.

動(dòng)量交換項(xiàng)和熱傳導(dǎo)項(xiàng)分別為

其中,dp為顆粒直徑,Cd是粒子的拖拽力系數(shù),Nu是努塞爾數(shù),λg是氣體導(dǎo)熱系數(shù),ε是鋁粉顆粒的輻射率,σ是玻爾茲曼常數(shù).

采用迭代求解,計(jì)算過(guò)程中首先假定爆速,代入由式(1)～式(3)組成的常微分方程組中進(jìn)行求解.通過(guò)非理想爆轟的廣義CJ 條件[30],反復(fù)校正爆速,最終得到確定且唯一的爆速,從而得出鋁粉的動(dòng)量與能量交換過(guò)程.圖8 給出了10 μm 鋁粉顆粒溫度TAl的計(jì)算結(jié)果,爆速取值為1990.1 m/s 時(shí),滿足非理想爆轟的廣義CJ 條件,馬赫數(shù)為1 時(shí)有效釋熱率dQeff/dt=0,即化學(xué)反應(yīng)放熱量與熱損失達(dá)到平衡.聲速面在0.96 mm 處,聲速面顆粒溫度上升至約340 K.

圖8 10 μm 鋁粉顆粒溫度的計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation result of TAl (10 μm)

選取兩個(gè)代表溫度來(lái)分析鋁粉顆粒的點(diǎn)火,一是鋁的熔點(diǎn)933 K,另一個(gè)是綜合考慮相關(guān)研究成果,給出的μm 級(jí)鋁粉的點(diǎn)火溫度1350 K[33].顆粒受氣體加熱到達(dá)點(diǎn)火溫度所需要的波后距離即為點(diǎn)火延遲距離.圖9 給出了不同粒徑鋁粉,在混合爆轟中達(dá)到熔點(diǎn)933 K 和點(diǎn)火溫度1350 K,所需要的點(diǎn)火延遲距離.很明顯隨粒徑的增大熱量傳導(dǎo)速度減慢.在混合爆轟波中,2 μm 鋁粉顆粒僅需幾毫米就達(dá)到了點(diǎn)火溫度,已經(jīng)接近氣相氫氧爆轟CJ 面1 mm左右的距離;而50 μm 鋁粉顆粒則需要0.34 m 才能到達(dá)熔點(diǎn)933 K,需要0.78 m 到達(dá)點(diǎn)火溫度1350 K.根據(jù)圖9 中的鋁粉點(diǎn)火延遲曲線,可以更深入地分析混合爆轟試驗(yàn)中得到的爆轟波結(jié)構(gòu).

圖9 不同粒徑鋁粉顆粒的點(diǎn)火延遲Fig.9 Ignition delay of aluminum powder with different particle sizes

鋁粉顆粒2 μm 的點(diǎn)火延遲距離已經(jīng)接近氣相氫氧爆轟CJ 面,隨著粒徑的繼續(xù)減小,必然鋁粉顆?？梢栽诼曀倜嬷斑_(dá)到點(diǎn)火溫度并被點(diǎn)燃.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,鋁粉粒徑較小的情況下(100 nm 和1 μm),對(duì)比同樣狀態(tài)下的純氣相爆轟,鋁粉的加入使得波后壓力增高,爆速有所增加.可見(jiàn),鋁粉點(diǎn)火釋熱開(kāi)始于聲速面之前,因而爆轟波由氣相間和顆粒相兩部分的反應(yīng)釋熱支持,燃?xì)?鋁粉混合爆轟呈現(xiàn)單波面結(jié)構(gòu).

在鋁粉粒徑較大的情況下(20 μm 和40 μm),由圖9 的計(jì)算結(jié)果,顆粒在第一聲速面之后點(diǎn)火.實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)雙波面結(jié)構(gòu),氣相間化學(xué)反應(yīng)釋熱支持第一道波,而鋁粉反應(yīng)釋熱支持第二道波.

在鋁粉粒徑10 μm 情況下,實(shí)驗(yàn)所得曲線雖然也是單波面結(jié)構(gòu),但根據(jù)鋁粉點(diǎn)火延遲的計(jì)算結(jié)果,此時(shí)鋁粉顆粒的燃燒反應(yīng)發(fā)生于第一聲速面之后,因而其釋熱對(duì)爆轟波不產(chǎn)生支持,雖然峰值壓力有大幅提高,但爆速并不增加.因?yàn)?0 μm 鋁粉的點(diǎn)火延遲距離在10 mm 量級(jí),尺寸上接近了壓力傳感器,所以測(cè)量結(jié)果無(wú)法分辨,但其實(shí)也是雙波面結(jié)構(gòu),是兩波面距離很近的混合爆轟波.結(jié)合鋁粉點(diǎn)火延遲計(jì)算結(jié)果來(lái)分析混合爆轟現(xiàn)象,可更加清楚地知道,爆轟波壓力曲線的變化可以明顯反映鋁粉在燃?xì)庵械狞c(diǎn)火與燃燒;另一方面,鋁粉在燃?xì)庵械狞c(diǎn)火燃燒特性決定了混合爆轟波的結(jié)構(gòu).

4 結(jié)論

鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟現(xiàn)象具有復(fù)雜性和多樣性,通過(guò)鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟波試驗(yàn),對(duì)于不同粒徑的球形鋁粉顆粒,獲得了單波面和雙波面的混合爆轟波結(jié)構(gòu).當(dāng)量比的混合均勻的氫氣與空氣,氣相反應(yīng)在激波面后迅速完成,因而鋁粉的點(diǎn)火燃燒是氫氧爆轟燃?xì)鈼l件下發(fā)生的.混合爆轟波結(jié)構(gòu)受到鋁粉在燃?xì)庵悬c(diǎn)火燃燒特性的影響,而存在不同的結(jié)構(gòu).只有顆粒相反應(yīng)釋熱發(fā)生在爆轟波聲速面之前才能對(duì)爆轟波的首道激波產(chǎn)生影響,使得爆速增加;而當(dāng)顆粒相的反應(yīng)釋熱落后于聲速面,且在爆轟波的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)顆粒相的點(diǎn)火釋熱能夠發(fā)生,就可以產(chǎn)生第二道激波,得到雙波面的混合爆轟波結(jié)構(gòu).

試驗(yàn)結(jié)果表明,鋁粉粒徑的大小對(duì)鋁粉點(diǎn)火延遲與燃燒時(shí)間影響很大,從而影響混合爆轟波的結(jié)構(gòu).鋁粉粒徑較小時(shí)(100 nm 和1 μm),鋁粉化學(xué)反應(yīng)快于聲速面之前發(fā)生,爆轟波由氣相和顆粒燃燒兩部分的反應(yīng)釋熱支持,對(duì)比同樣狀態(tài)下的純氣相爆轟,鋁粉的加入使得爆速和波峰壓力增高,此時(shí)呈單波爆轟結(jié)構(gòu).鋁粉粒徑較大時(shí)則出現(xiàn)了雙波面爆轟的情況.粒徑20 μm 時(shí),第二道波與第一道波速度接近,兩波間距在向下游傳遞過(guò)程中基本不變;40 μm時(shí),第二道波波速較慢,因而兩波間距逐漸拉開(kāi).粒徑10 μm 的混合爆轟波本質(zhì)上是兩波面距離很近的雙波面結(jié)構(gòu),峰值壓力有大幅提高,但爆速并沒(méi)有增加.在鋁粉/氫氣/空氣混合爆轟現(xiàn)象中,反映了鋁粉在復(fù)雜條件下的燃燒特性,通過(guò)對(duì)混合爆轟試驗(yàn)結(jié)果的分析,明確了鋁粉的點(diǎn)火燃燒特性對(duì)混合爆轟現(xiàn)象的影響機(jī)理.

致謝

本文工作的研究思路和試驗(yàn)方法得到了俞鴻儒院士的建議和幫助,在此表示感謝.