气相爆轰激波管基础实验研究内容探讨

在激波管中进行气相爆轰基础实验研究的内容

综述

段吉员，王建，吴国栋

(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理试验室四川绵阳621900 )

摘要本文在广泛调研国内外利用激波管进行气相爆轰基础实验研究的基础上，进行了分析，总结出从宏观和微观两方面进行气相爆轰基础研究的内容，宏观方面主要研究气相爆轰在光滑直管道中或一些非理想条件下的传播规律等内容，微观方面主要运用谱仪技术与化学反应动力学相结合的方法，研究气相爆轰激励下，含能材料发生快速反应的微观机理等内容。为利用激波管开展气相爆轰基础研究指明了研究途径。

关键词激波管气相爆轰基础研究传播规律微观机理

1.引言

气相爆轰是气体爆炸的最高形式，是以超音速传播（相对于波前未反应混合物）的带化学反应的冲击波。在激波管中进行气相爆轰基础实验研究，对于研究气体爆轰波的传播规律、DDT（爆燃成长为爆轰）过程、强爆轰现象、脉冲爆轰规律、瓦斯或粉尘爆炸安全性、界面不稳定性、含能材料的微观机理、新型材料的合成等内容具有重要意义。

2.国内外研究情况

2.1 国外研究情况

自1881年发现气相爆轰现象以来，关于爆轰波的各种理论和实验方法得到了广泛关注和飞速发展。在气相爆轰实验研究方面，激波管从上世纪50年代起一直发挥着极其重要的作用。早期的许多国际著名实验室研究了氢氧燃烧驱动技术[1]，结果表明燃烧驱动产生的气流品质低，因而从50年代末起，开始发展爆轰驱动技术。

1954年Hertzberg在氢氧燃烧驱动实验中，意外发现入射激波的强度超出了按等容燃烧假定计算的数值，Gerard将这一现象归因于燃烧过程出现了爆轰。1957年Bird对燃烧驱动以及前向和反向爆轰驱动进行了分析。之后，Waldron和Balcarzak开展了前向爆轰驱动实验，证实了Bird的分析预测。后来，Coates和Gaydon首次进行了双爆轰驱动实验，实验由于使用的氢气压力不够高而未能成功，但这种双爆轰驱动的思想得到了认可和发展应用。

伴随着激波管的出现，光谱分析技术逐步应用到气相爆轰物理实验研究中，特别在含能材料快速反应的微观机理研究中取得了很大进展。A.D.Gaydon[2]在1941～1979间，在石英激波管中，观测研究了火焰光谱中的OH、CH、C2等自由基的产生和激发模式，分析了燃烧机理。后来利用铜质激波管对高强度的激波进行了光谱实验。Gaydon在利用光谱技术测量激波温度方面也做出了重要的贡献。

印度高温化学动力学实验室B. Rajakumar等人[3]在高温激波管实验中，采用瞬态气相色谱、红外光谱和激光纹影法进行了化学反应动力学速率测量，并建设了两套实验系统，分别用于分析ms和us 量级的反应机理实验。

白俄罗斯的O.G.Penyaz’kov等人[4]利用压电传感器和光谱分析技术提出了一种新的测试方法，能精确的判断气体爆轰产物分子的结构尺寸及可能出现的官能团。哥伦比亚大学J. Huang等人[5]利用激

波管研究了乙烷和丙烷影响甲烷/空气混合气体点火性能的微观机理，测定了点火延迟时间和激波速度，计算了激波温度，并建立了用于计算组分点火延迟时间和浓度的动力学模型。

美国的托莱多大学Si-Ok Ryu等人[6]利用吸收光谱技术分析了激波管中H2/O2/Ar混合气体的爆轰驱动；德克萨斯大学秦志伟等人[7]在激波管中，研究了在高压氦气冲击激励下丙烯的点火延迟时间和氧化机理；斯坦福大学高温动力学实验室Steven T Wooldridge等人[8]利用吸收光谱技术测量了C2／N2／Ar混合气体高温分解中间产物CN的浓度。Craig T.Bowman和Ronald K.Hanson[9] 分别在压力驱动式和单脉冲爆轰驱动式激波管中，利用吸收光谱技术，测量了从真空紫外区域到红外区域范围内，入射激波和反射激波后的各组分浓度及密度，并分析了影响气相爆轰不确定性的几个主要因素。

Edwards D H和Thomas G O[10]研究了气体爆轰波在90o弯管道中的传播特性；Strehlow R A和Biller J R[11]进行了气体爆轰横波强度分析；Teodorzyk A[12]等人对爆轰波经过泡沫和金属网壁时发生的衰减进行了研究，分析了爆轰波发生衰减和已衰减的爆轰波在一定程度上得到恢复的原因。

2.2 国内研究情况

与国外相比，国内的技术水平及测试手段相对落后，相关的文献资料也不多。其中，中物院一所胡栋等人[13,14]运用光谱技术进行了含能材料在气相爆轰激励下发生快速反应的微观机理研究，建设了两套物质发射光谱测试系统。在实验过程中，提出了一种确定含能材料冲击点火延迟时间和临界条件的新方法，即利用测得的冲击波到达样品时间和含能材料分解产物的最早出现时间，以确定冲击点火延迟时间和临界条件，该方法比国外常用的光电二极管方法更接近实际值。

深圳大学的黄中伟等人[15]实验观测了气体爆轰波的胞格结构，分析了横波碰撞前后前驱激波的压力变化，提出了在胞格周期中激波速度变化的估算方法，并分析了脉冲爆轰技术中的技术难点，针对部分具体问题提出了解决思路。中国矿业大学的林柏泉等人[16]，分析了瓦斯爆炸中湍流形成的原因，试验研究了湍流、障碍物以及壁面粗糙度对其传播规律的影响；南京理工大学的于陆军等人[17]对CH4/空气的爆轰过程及管内、外流场进行了数值模拟。中科大的王汉良、周凯元等人[18]实验研究了气体爆轰波在弯曲管道中的传播特性，捕捉了气体爆轰波经过声学吸收壁，发生衰减到再加强的全过程，并建立了再加强段内火焰传播的模型，解释了超强爆轰形成的机理。

中科院力学研究所的俞鸿儒、陈宏等人[19,20]在激波管中进行了氢氧反向爆轰驱动实验研究，并在国际上首次成功建设了一套带卸爆段的氢氧爆轰驱动激波管系统。胡湘渝等人[21]还进行了不同初始压力条件下氢氧爆轰光谱的实验研究，并建立了真实化学反应模型，求解了一维爆轰波的精细结构；吴承康等人在有障碍物的半开口管道中，进行了预混可燃气体的火焰传播以及压力波产生和发展规律研究。此外，杨乾锁等人[22]在激波管中，测量了高温N2受激波作用后不同时刻的辐射光谱。林贞斌等人[23]利用紫外波段的动态吸收光谱系统，测量了JF－10氢氧爆轰驱动激波风洞自由流中的NO含量和离子浓度。

3.在激波管中可开展的气相爆轰研究内容

分析国内外在激波管中进行气相爆轰基础研究方面的工作，是从宏观或微观研究角度进行的。宏观研究主要研究气相爆轰在光滑直管道中或一些非理想传播条件下的传播规律，主要通过压力等传感器测量爆轰压力，记录爆轰波到达时间，估算爆轰参数，测量DDT过程或通过障碍物前后压力或速度等流场参数变化情况来研究气相爆轰的传播特性，并通过条式或纹影相机观测气相爆轰的传播过程等。微观方面主要运用谱仪技术与化学反应动力学相结合的方法，研究气相爆轰激励下，含能材料发生快速反应的微观机理，其冲击点火的延迟特性及临界条件等内容。

3.1 气相爆轰在光滑直管道中的传播规律研究

研究气体爆轰波的传播规律及其结构、一些常用可燃气体的爆炸极限浓度、气相DDT过程等。