N2O/C2H4/CO2预混气体火焰传播及爆炸特性的试验研究

曾祥敏，张玉刚，蒋榕培，李智鹏，徐 森,4，李玉艳，刘大斌

(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.徐州市公安局，江苏 徐州 221000；3.北京航天试验研究所，北京 100074；4. 国家民用爆破器材质量监督检验中心，江苏 南京 210094)

引 言

氧化亚氮(N2O)因具有安全、无毒、多模块、自增压等优良特性，被视为极具发展潜力的新一代氧化剂[1-2]。但试验发现，N2O易与可燃气体发生爆炸，在特定条件下出现爆燃转爆轰，引发严重事故，限制了其安全使用[3-4]。因此，研究N2O与可燃气体的燃烧和爆炸特性，可对N2O作为氧化剂的安全应用提供参考。

国内外学者已开展N2O与可燃气体燃烧特性的相关研究。如Bane等[5]研究了化学当量比及经氮气稀释的N2O/H2层流燃烧速度和化学动力学机理；Pfahl等[6]测量了经N2、CH4、NH3和空气稀释的H2/N2O混合气体的爆轰胞格宽度、爆轰速度和压力，研究不同稀释气体对H2/N2O爆轰性能的影响；Mével等[7]测量了空气稀释条件下在球形弹体中H2/N2O的火焰速度，并进行了化学动力学模拟；Zhang等[8]系统研究了C2H2/N2O/空气的爆轰动态参数、临界直径和临界点火能量。对N2O与C3H8、C2H4、C2H5OH等混合组成的推进剂国内外已有大量研究，其中N2O与C2H4复合制备的推进剂因具有优良的点火性能和能量性能而备受关注[1-2]。Venkatesh等[4,9]在内径10cm、长62cm的合金钢管中进行了当量比N2O/C2H4预混气体高压燃烧试验，研究初始压力对混合气体爆压、爆速和感应距离的影响，并用火焰加速理论、爆轰理论和爆燃转爆轰机理对试验结果展开讨论；Zhang等[10]在4、14、36mm的细管中进行当量比N2O/C2H4混合气体燃烧试验，研究了不同管径和不同压力对混合气体燃烧速度的影响，获得了爆轰速度与初始压力、管径之间的关系；Ovileanu等[11]进行了经体积分数60%的 N2稀释的N2O/C2H4爆炸试验，研究了混合体系的最大爆炸压力和压力上升速率。N2O基推进剂在国际上已有应用，但自燃和回火问题仍未解决[12-13]，而加入惰性气体能有效改善混合体系的燃烧和爆炸性能。

本研究在化学当量比的N2O/C2H4中加入惰性气体CO2，采用高速摄影仪和压力传感器测量N2O/C2H4/CO2预混气体的火焰速度、超压、冲击波速度等，探究N2O/C2H4/CO2火焰传播和爆轰特性，为解决N2O基推进剂的自燃和防回火问题提供参考。

1 试 验

为研究推进剂在管道中的燃烧和爆轰行为，加入障碍物以提高反应的进程，试验在带有加速装置的燃烧管中进行。试验系统见图1，主要由燃烧管、传感器、数字转换器、数据采集器、高速摄影仪和电阻丝等组成。燃烧管为内含加速环，长200cm、内径1.5cm的透明有机玻璃管，其中加速环为长30cm、外径1.5cm金属丝绕成的螺旋环。点火位于燃烧管紧邻加速环的一端，分别在距点火10、40、60、80、100、120、140和160cm处安装传感器，根据传感器距离和压力波传播的时间，可以计算冲击波速度。高速摄影仪在距燃烧管5m处拍摄火焰，根据摄影仪拍摄速度和火焰锋面与点火处的距离(R)可计算出火焰速度。传感器采用PCB高频压力传感器，数据采集仪采用Adlink Technology公司开发的PXI-8565采集器,该系统共有8个并行通道，每通道频响为1MHz。高速摄影仪采用日本Photron公司生产的“Fastcam”系列摄影仪，拍摄速度可达20000f/s。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

为研究N2O/C2H4/CO2预混气体的爆炸特性又不显著降低其能量，本试验中混合气体N2O、C2H4、CO2质量比为9∶1∶1，其中N2O和C2H4化学当量比约为1。混合气体采用分压法配制，实验前先将燃烧管抽真空，然后充入混合气体，试验时管内为常压，燃烧管出口端开放无约束。点火采用电压20V、电流10A的直流电源，电阻丝通电点燃混合气体，燃烧波传播到第一个传感器(10cm处)时触发数据采集仪，记录超压及压力波到达各个传感器的时间；点火同时高速摄影仪拍摄火焰。

2 结果与讨论

2.1 火焰传播特征

在0.2、0.4、0.6、0.8、1.2和1.4ms时N2O/C2H4/CO2预混气体的火焰高速摄影见图2，拍摄速度为10000f/s(间隔时间0.1ms)，照片以出现可见火焰作为0时刻。

图2 火焰高速摄影照片(10000f/s)Fig.2 High speed digital images of flame(10000f/s)

从图2可以看出，0.2ms时火焰居中且较小，呈黄色，纵向宽度且较小；随着反应的进行，火焰扩散到整个横截面，呈亮白色，纵向宽度增大，火焰阵面形成对称的Tulip结构，且火焰充满已燃区域；1.4ms时火焰锋面到达燃烧管末端，火焰扩散至燃烧管外，并充满已燃区域。

火焰锋面的位移曲线和速度曲线见图3。

图3 火焰锋面位移曲线和速度曲线Fig.3 Displacement curve and velocity curve of flame front

由图3(a)可知，火焰锋面到达燃烧环末端的距离先缓慢增加，0.4ms后快速增加，到达200cm后减慢。由图3(b)可知，点火初期火焰速度从120m/s增加到350m/s，然后快速增长，0.7ms时达到最大，略微减小后以相对稳定的速度在燃烧管中传播，1.2ms后快速减小。火焰在燃烧管中可大致分为点火期、加速期、稳定传播期和衰减期4个阶段：电源接通后预混气体受热被点燃，火焰开始形成，速度慢，为点火期；火焰形成后经过螺旋环，湍流加剧，火焰加速，此阶段为加速期；随后螺旋环加速效果结束，火焰以相对稳定的速度在燃烧环中传播，此阶段为稳定传播期；当火焰传播至燃烧管末端时受到的约束减弱，同时预混气体浓度减小，火焰速度降低，此阶段为衰减期。结合图3可知，火焰锋面到达燃烧环末端30cm处的时间为0.541ms，而在0.541ms后火焰继续加速，0.7ms时达到最大速度2235.2m/s，然后速度略有减小。说明火焰经过螺旋环后，形成的湍流对火焰仍存在持续的加速作用，0.7ms持续加速作用结束。

2.2 超压成长特征

图4为8个传感器的压力曲线。

图4 距离点火不同位置处的压力曲线Fig.4 Pressure curves in different positions from ignition

从图4可以看出，10cm处超压先缓慢上升，再快速上升至最大值，压力变化呈渐变，压力正在成长，传感器压力存在一个持续约0.1ms的高压状态，说明此处存在具有一定长度的反应区，这是因为预混气体点火后还处于燃烧阶段，燃烧产物正在膨胀，与喻健良等[14]的试验结果一致，结合火焰成长过程，预混气体正在由爆燃转向爆轰。其余7个传感器超压都陡然上升，然后有规律地波动衰减，表明燃烧管中出现了冲击波，爆燃已经转化为爆轰，并在管中传播。传感器压力在衰减过程中出现上升的余波，然后再次逐渐衰减，这是因为超压沿燃烧管向前传播时遇到未反应气体，冲击波发生反射，回传的压力导致余波出现，回传余波的波动程度与首次出现的压力变化相对应，即超压渐变时，回传波也表现为渐变；首次超压突变时，回传波也表现为突变。

2.3 爆轰特性分析

用气体爆炸C-J理论计算预混气体的爆轰参数[15]，计算过程如下：

不考虑爆炸产物解离，首先根据试验配方写出预混气体爆轰的反应方程式：

5.73 N2O + C2H4+ 0.64 CO2→5.73 N2+

2.36 CO2+ 0.27 CO + 2 H2O + 1715.56kJ

然后根据爆炸产物的平均热容计算爆温：

∑cVi= 242.95 + 350.25×10-4t

t=4342.63(K)

Td=t+273=4615.63(K)

式中：t为反应释放的热量使爆炸产物升高的温度；Td为混合气体按爆热计算的爆炸温度，实际爆炸中需要进一步修正：

式中：γ为Td时爆炸产物的绝热常数；T2为修正后的爆温。

根据爆温计算爆速：

根据爆速计算爆压：

式中：ρ0为初始反应物的密度。

经计算，试验条件下N2O/C2H4/CO2预混气体的C-J理论爆速为2366.75m/s，理论爆压为4.26MPa，将理论计算与试验结果进行对比，不同位置峰值压力变化曲线见图5。距点火10cm处峰值压力明显低于C-J理论值，这是因为预混气体刚开始反应，火焰还处于爆燃阶段，压力还在成长，未形成冲击波。其余与理论值相差不大，其中100cm处压力高于理论值，3次试验结果一致，其中最大压力为4.66MPa。这是因为冲击波在向前传播时，不断压缩和加热未燃气体，预混气体在此处反应时的初始压力高于燃烧管初始压力，而在此处产生过爆，试验结果与Venkatesh等[4]的研究结果一致。

图5 不同位置峰值压力曲线Fig.5 Peak pressure value curves at different positions

预混气体火焰速度、冲击波速度、理论速度(DC-J)与点火距离的关系见图6。

图6 火焰、冲击波和C-J速度与点火距离的关系曲线Fig.6 Relation curves of flame, shock wave and C-J velocity with ignition distance

从图6可以看出，最大冲击波速度出现在距点火距离140～160cm之间，为2247m/s；除90cm处速度略小外，冲击波速度稳定并与火焰稳定速度保持一致，燃烧管内形成爆轰，爆轰波以2000～2250m/s向未燃区传播。在距点火距离90cm外速度减小是因为燃烧环的持续作用消失、湍流减弱等造成冲击波出现波动。火焰燃烧的最大速度和爆轰波最大速度均小于预混气体C-J理论爆速，这是试验中燃烧管的约束等试验条件造成的。最大火焰速度和最大冲击波速度与C-J理论爆轰速度的偏差分别为5.54%和5.1%，试验结果与理论计算结果基本一致。

3 结 论

(1)预混气体在燃烧管内快速燃烧，火焰呈对称的Tulip结构，在燃烧管中可分为点火期、加速期、稳定传播期和衰减期4个阶段。

(2)预混气体在燃烧管出现了爆燃转爆轰，爆轰波在燃烧管中传播时遇到未燃气体，冲击波发生反射出现回传余波，余波的压力变化与初次出现的压力变化规律一致。稳定爆压与C-J理论爆压相差不大，最大爆轰压力为4.66MPa。

(3)最大火焰速度为2235.2m/s，最大冲击波速度为2247m/s，与C-J理论爆轰速度的偏差分别为5.54%和5.1%，试验结果与理论计算基本一致。