爆轰内部结构记录实验管道装置系统

高玉坤, 王树祎, 赵焕娟, 严屹然

(北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 矿山避险技术研究中心， 北京 100083 )

爆轰内部结构记录实验管道装置系统

高玉坤, 王树祎, 赵焕娟, 严屹然

(北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 矿山避险技术研究中心， 北京 100083 )

针对管道中的爆轰设计了一种可以记录管道里爆轰内部结构的实验方法及管道装置系统，使用烟熏玻璃及烟膜完整地记录管道内部横波结构。该管道装置系统主要由测试主体管、烟熏玻璃、烟膜和开槽法兰组成。在主体钢管末端联接开槽法兰，并在开槽处安装密封橡胶圈，在管道抽真空过程中将烟熏玻璃对准末端，并保证密封。同时，在内部管壁放置烟膜，完整地记录传播轨迹，并进行重复实验。利用设计的管道装置进行观测实验，扫描实验后的烟熏玻璃，获得了可进行分析的爆轰横波结构图。该管道装置系统灵活可靠，为记录爆轰内部结构提供了可操作、可靠的实验方法，对爆轰机理的研究起到重要推动作用。

爆轰； 内部结构； 管道系统； 实验方法

0 引 言

自然界中的大部分燃烧是在分子扩散及热传导机制的作用下进行的，其产生的燃烧波传播速度缓慢。然而爆轰波在预混气中能以超声速甚至高超声速传播，且具有自持燃烧特性，可借助燃烧释放的化学能实现自持传播[1-2]。爆轰反应伴随着大量能量释放，在其反应区前沿形成超声速的激波，即爆轰波[3-6]。韩桂来等[7]指出自持爆轰波一般都具有复杂的三维结构，称为胞格结构。而目前广泛研究的螺旋爆轰只是圆管中模数为1的胞格。使用烟熏过的烟膜来记录爆轰的胞格结构也成为主要的爆轰现象研究手段。实际上，环绕在管子内壁的烟膜上仅仅记录了爆轰面外圈上的三波点经过的路径。由于实验方法的限制，目前爆轰结构的研究大部分是对管壁处的螺旋爆轰结构进行观测，但是其内部发展规律少有涉及。

若要确定离管壁较远处靠近管轴的前导激波面形状，可把烟膜垂直于管轴放置，这样爆轰面会在该烟膜上发生反射。然而对于把来自螺旋爆轰波反射的激波相交记录在端面烟膜面上这一复杂过程的机理至今为止尚不清楚[8]。

Voitsekovskii等[9]尝试给出螺旋爆轰面单头、双头和四头螺旋爆震的横波运动，但对于更高频的螺旋爆轰，描述横波运动穿过爆轰面将会非常困难，需要实验结果的支持。因而如何清晰、灵活可靠地记录爆轰面的结构是亟待解决的问题。

本文提出了一种能够记录爆轰内部结构的管道装置系统，阐述了此装置的组成与工作原理，指出了管道系统的参数特征，并给出了运用此装置进行爆轰观测实验的具体实验步骤和结果。

1 管道系统的组成与工作原理

1.1 管道系统组成

依据实验装置必须具有可靠性、环境适应性以及实验结果应具有可重现性的原则[10]，设计制作了一种能够记录爆轰内部结构的管道装置系统，如图1所示。

1～8—探针安装塞， 9—金属管子， 10—烟膜， 11—开槽法兰， 12—烟熏玻璃， 13—海绵， 14—木板， 15—密封橡胶圈， 16—固定夹具

图1 爆轰内部结构记录管道的结构示意图

管道系统有引爆段、实验段以及末端固定的玻璃结构。测试主体管的一端通过法兰密封;另一端设有开槽法兰。管壁上开有用于安装检测装置的若干通孔，通孔上均设有密封塞。主体管的内部靠近开槽法兰一端设置烟膜，且烟膜的高度等于管道内径。烟熏玻璃安装在木板上，通过夹子与开槽法兰固定，且开槽法兰与烟熏玻璃的接触面之间设有橡胶圈[11-13]。

(1) 测试主体管。管道为不锈钢制成，其内径50.8～1 000 mm。管壁上安装的检测装置包括单片机和探针或传感器，其中探针或传感器安装在通孔内，单片机通过数据线与之连接。

(2) 烟熏玻璃。所用玻璃厚度为4～6 mm，其制造和安装过程如下：

① 烟熏玻璃的制造。熏制设备主要包括煤油灯、滤网和覆盖物，如图2所示。烟熏玻璃为正方形，尺寸与开槽法兰的直径一致，熏制前应清洗干净。覆盖物中间挖空，挖空尺寸为管道内径。滤网材质为钢铁，孔隙为1 mm，安置在煤油灯上方，以过滤颗粒度过大的烟尘。熏制前用酒精擦拭干净玻璃，待擦干后点燃煤油灯进行熏烤。全程为保证熏烤均匀，用纸板遮盖所需烟迹的外围。同时，熏制过程中应匀速移动玻璃使碳附着均匀，烟迹定型，从而制造出与管道内径尺寸一致的圆圈，保证玻璃上的烟迹与管道内径一致。烟熏玻璃只保留中心处管道内径相同大小的圆形烟迹，熏制完成后须用试验用纸及酒精将空白位置擦拭干净，以免影响密封。

1—烟熏区域， 2—覆盖物， 3—滤网， 4—煤油灯

图2 烟熏装置示意图

② 烟熏玻璃的安装。首先计算出玻璃烟迹高度与管道内径的差值，调整安装平台的位置使烟迹与管道内径对齐。然后将管道抽成真空，在该过程中，烟熏玻璃应对准管道内径放置。由于玻璃与柔性橡胶圈相接触，在抽真空的过程中玻璃会吸附其上。此时须加1个木板，并用4个夹子将法兰、玻璃与木板固定，保证两者受力均匀，且木板与玻璃的接触面应黏有海绵，以防止应力集中导致玻璃产生裂纹或发生破碎。

(3) 烟膜。烟膜的高度等于测试主体管内径长度，宽度小于或等于管道内径周长。其厚度的选取应基于初始压力：初始压力低于8 kPa，厚度采用0.4 mm；初始压力低于12 kPa，厚度采用0.6 mm；初始压力高于12 kPa，厚度采用1 mm。

(4) 开槽法兰。开密封槽的法兰安装或焊接在测试主体管断面，开槽处安装密封圈保证系统密封。

1.2 实验装置的工作原理

可燃气体发生爆轰，产生的爆轰波在管道中传播。实验完成后取下末端玻璃，上面的痕迹记录下了这一位置在横波到达时的内部横波轨迹。端面烟膜记录了折痕从壁面朝着管轴向内延伸的过程。烟膜上显示的精细结构是反射激波扫过经激波压缩后的反应物而造成的，这些反应物在折痕入射激波后方的诱导区内[14]。

1.3 实验装置使用要点

此管道装置系统适用于爆轰内部结构记录实验，在实验中应注意以下要点：

(1) 同一初始压力条件下的爆轰实验须重复3次以上，确认实验的重复性后，所得结果才可使用。

(2) 此装置适用于不同种类预混气在不同初始条件下的爆轰实验。初始压力数值改变时应调整玻璃的厚度，4 mm厚的玻璃仅可用于初始压力低于8 kPa的实验条件，6 mm厚的玻璃可满足初始压力不高于15 kPa的实验。

2 爆轰观测模拟实验

选用成分为2H2+O2+50%Ar的预混气和C2H2-O2的引爆气，在3 kPa的初始压力条件下，按下述步骤进行爆轰内部结构观测实验：

步骤1先将测试主体管两端密封，检查其密封性。确认管道密封性良好后，将主体管的一端通过法兰密封，另一侧末端放入烟膜，并保证放置过程中烟膜无旋转。在管道的另一端安装开槽法兰，同时将烟熏玻璃置于木板上。

步骤2制备成分为2H2+O2+50%Ar的预混气和C2H2-O2的引爆气，静置24 h使之充分预混。

步骤3熏制玻璃及烟膜。用酒精擦拭干净玻璃，待酒精干后用煤油灯进行熏烤，熏制过程中使用纸板遮盖所需烟迹外围，匀速移动玻璃使碳附着均匀，熏烤结束后用试验用纸和酒精擦拭空白位置。

步骤4对步骤1组装后的测试主体管进行抽真空处理，将烟熏玻璃的烟迹对准测试主体管设有开槽法兰的末端开口上，此时橡胶密封圈的柔性加之管道内外因抽真空产生的压力差将烟熏玻璃压在橡胶密封圈上。然后继续抽真空，使用夹子将木板、缓冲海绵、烟熏玻璃和开槽法兰四者固定。依次充入实验气体2H2+O2+50%Ar及引爆气C2H2-O2，点火，爆轰结束后再次抽真空，将抽出气体平稳缓慢地放入大气，扶住木板，拆卸夹子，之后取下木板及留有轨迹的烟熏玻璃，最后取出管中留有轨迹的烟膜。

将实验后的烟熏玻璃和烟膜进行扫描，即得到该实验气体清晰的爆轰面结构[15]。图3给出了一组实验结果，图像清晰可靠。爆轰实验过程中，通过测试主体管上的探针或传感器记录下爆轰面到达的时间，结合探针位置即可计算出爆轰速度。

1—爆轰内部结构轨迹， 2—爆轰管壁轨迹

图3 烟膜及玻璃烟迹结果示意图

3 结 语

设计制作了用于观测爆轰内部结构的管道装置系统，此装置在记录爆轰速度、管壁横波结构的基础上，能够灵活可靠地记录管道内部的爆轰结构。实验测试证明，该管道系统安装方便，便于调整，广泛适用于不同初始压力条件及预混气种类的爆轰观测实验，能够可靠地给出清晰、便于记录的爆轰内部结构。

[1] 赵焕娟,John H S LEE,张英华.甲烷预混气螺旋爆轰的定量不稳定性研究[J].工程科学学报,2016,38(11):1522-1531.

[2] 姜宗林,滕宏辉,刘云峰. 气相爆轰物理的若干研究进展[J]. 力学进展,2012(2):129-140.

[3] 姜宗林,滕宏辉.气相规则胞格爆轰波起爆与传播统一框架的几个关键基础问题研究[J].中国科学(物理学,力学,天文学),2012,42(4): 421.

[4] 唐新猛,王健平,邵业涛.连续旋转爆轰波在无内柱圆筒内的数值模拟[J].航空动力学报,2013,28(4):792-793.

[5] 赵慧. 气相爆轰波化学反应机理、传播机理数值和实验研究[D].北京：北京理工大学,2016.

[6] 张博,白春华. 气相爆轰动力学特征研究进展[J]. 中国科学(物理学·力学·天文学),2014(7):665-681.

[7] 韩桂来,姜宗林,张德良. 激波与爆轰波对撞的数值模拟研究[J].力学学报, 2008, 40(2): 154-161.

[8] 史香锟.气液两相介质中激光支持爆轰波的理论研究[D].杭州:浙江大学,2015:42-45.

[9] Voitsekhovskii B V, Mitrofanov V V, Topchiyan Y M. Structure of the detonation front in gases (survey) [J].Combustion, Explosion, and Shock Waves,1969,5(3):267-273.

[10] 张庆章,黄庆华,张伟平,等.潮汐区海水侵蚀混凝土结构加速模拟试验装置[J].实验室研究与探索,2011,30(8) :4-7.

[11] 赵焕娟,张英华,严屹然等.一种记录爆轰内部结构的管道系统及其方法:中国,CN201511024396.4 [P].2016-06-08.

[12] 赵焕娟,张英华,严屹然,等.一种量化预混气爆轰不稳定度的管道系统及其方法:中国, CN 201511021160.5 [P].2016-05-04.

[13] 孙少辰,毕明树,刘刚,等.爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性[J].化工学报,2016,67(5):2176-2183.

[14] 金 山,杨元帅,胡杨. 爆轰实验中接触测量与非接触测量的应用对比[J]. 太赫兹科学与电子信息学报,2014(5):775-778.

[15] Zhao H, Lee J H S, Lee J,etal. Quantitative comparison of cellular patterns of stable and unstable mixtures[J]. Shock Waves,2016,26(5):621-633.

ExperimentalPipingSystemsforRecordingtheInternalStructureofDetonation

GAOYukun,WANGShuyi,ZHAOHuanjuan,YANYiran

(State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education； Mine Emergency Technology Research Center; University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

It is an important method to study the mechanism of detonation by observing its internal structure. An experimental method and a piping system are designed for recording the internal structure of detonation. The systemcan record the structure of transverse wave with smoked glass and smoked filminside the pipeline. The piping system consists mainly of primary tube for test, smoked glass, smoked film and slotted flange. The slotted flange is connected at the end of the primary tube with the sealed rubber ring installed at the slot. In addition, the smoked glass is aligned with the end during the evacuation of the pipe,itsaim is to ensure theseal. Meanwhile, the smoked film is placedon the inner wall of the tube, to completely record the propagation trajectory.The experimentwas repeated. The observation experiment was carried out by using the designed piping device.Moreover, scanning the smoked glass after the experiment, the detonation transverse wave structure diagram was obtained. The pipeline system is flexible and reliable, canprovidean operational and reliable experimental method for recording the internal structure of detonation, which plays an important role in the research of detonation mechanism.

detonation; internal structure; piping systems; experimental method

TD 77+4; O 381

A

1006-7167(2017)11-0048-03

2017-03-13

国家自然科学基金资助项目(E041003)； 中国博士后科学基金资助项目(2015M580049)

高玉坤(1983-)，男，山东胶州人，博士，高级工程师，从事安全工程的实验教学管理工作。

Tel.:18911699307； E-mail:gaoyukunustb@126.com