火焰在环形通道内形态演变的实验研究

杨怀远， 张彭岗， 潘振华

(江苏大学能源与动力工程学院， 镇江 212013)

近年来，爆轰波在航空推进方面的应用已受到学界广泛关注[1-4]，爆轰起爆是爆轰发动机最关键的技术之一，直接决定着发动机的推进性能。关于爆轰起爆有两种主要的方式：直接起爆和爆燃向爆轰转捩(deflagration to detonation transition, DDT)[5]。相比直接起爆，DDT过程所需的起爆能量更少。前人对DDT的研究大多是在直通道中进行的[6-7]。然而，对弯曲通道而言，外壁面的收敛效应以及内壁面的发散效应均使得弯曲通道中的DDT过程比直通道中更加复杂。由于弯曲通道无论在工业通道中还是在推进系统中都是一种比较常见的几何形式，因此研究曲率对火焰传播的影响是有必要的。

前人通过实验研究和数值模拟等方法研究了弯曲通道内火焰的传播。Zhou等[8]采用高速摄影以及数值方法观察到弯管效应，即火焰在弯曲通道的前45°区域内脱离内外壁面，讨论了位于内壁附近沿流动方向的涡对与位于外壁附近的高压区对火焰脱落的影响。并讨论了火焰作为推力源诱导出来的流场与火焰相互作用，造成火焰前锋压力不均匀分布，产生郁金香火焰的机理。Sato等[9]揭示了在弯曲通道内，朝向开口端流动的未燃气体的性质决定弯曲通道内火焰形态变化，弯曲通道内火焰速度的瞬时增加主要是由内壁附近未燃混合气较高的轴向速度引起的。Xiao等[10]采用高速纹影技术和数值模拟方法发现燃烧室的弯曲效应对火焰动力学过程有重要影响，弯曲通道中郁金香火焰不同于直通道，在传播中表现为下部的舌尖占据主导作用，而上部舌尖则受到抑制，同时弯曲效应也能增加火焰内部的不稳定性。何学超等[11]采用高速纹影技术与离子探针技术也观察到相似的火焰阵面畸变现象，并揭示了弯管内部的多波叠加与湍流是造成火焰速度脉动振荡的原因。Najim等[12]通过对弯曲定容通道内等当量比甲烷/空气预混火焰传播开展实验和数值研究，发现通道几何曲率对火焰演变有决定性影响。由于火焰锋面，火焰诱导流动和压力场之间的相互作用，郁金香火焰经历了直通道所没有的从凸型到凹型的转化。对于弯曲通道对DDT的影响，前人关注较少。Blanchard等[13]在包含90°弯曲段的封闭通道系统内设置障碍物，利用甲烷、丙烷、乙烯和氢气/氧气混合气体开展关于爆轰的实验研究，发现弯曲通道可以增加火焰的速度和过压程度，进而缩短DDT起爆距离。

上述研究主要针对的是直管段与弯曲段相结合的系统内，火焰传播的情况，这样会造成额外火焰加速以及附加DDT的问题。因此，采用含有270°弯曲范围的环形通道对火焰传播的过程进行详细描述。不规则胞格模式以及被Ar稀释的规则胞格模式这两种混合气系统均在实验中得到测试。旨在阐明环形通道中火焰传播的特征参数变化，以及舌形火焰与边界层之间发生的相互作用，并揭示DDT起爆距离和初始压力之间的关系。

1 实验系统

实验通道由弯曲段Ⅰ和附加直管段Ⅱ组成，弯曲段周向角度范围为270°，附加直管段长度为880 mm，直管段的矩形横截面与弯曲段的横截面相一致。通道内径175 mm，外径225 mm。混合气由环形通道封闭端处的高压电极丝点燃，火焰在环形通道内沿顺时针方向传播，最终冲破位于附加直管段端口处密封的铝箔泄出。可视化的通道外板由一对140 mm宽的聚碳酸酯薄板组成，便于捕捉管内火焰传播过程，中间的聚碳酸酯垫片单侧宽度为45 mm，厚度为4 mm，与外板装配完毕之后可形成一块横截面尺寸为4 mm×50 mm的燃烧室空间。实验设备的示意如图1所示。

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

本实验测试了两组爆轰气体，C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar 和 C2H4+ 3O2。混合气体在充入通道之前，首先依据分压力法充入预混瓶中，并放置至少24 h以确保气体预混的均匀性。每次试验中实验通道的真空度至少要抽至0.1 kPa以下，才可充入实验预混气使通道内部达到所需初始压力p0，初始压力p0由一精密真空计监测(OMEGA HHP 242-015A, 0～15 psi)，其精度为满量程的±0.10%。通道内火焰传播由高速摄像机记录(Photron FASTCAM SA-Z)，其帧率为120 000 帧/s。为确定爆轰是否已起爆，可以将测得的局部速度与经过Gorden-Mcbride[14]准则计算出来的C-J (Chapman-Jougue)爆轰速度DCJ进行对比。火焰速度的测定方法已于Pan等[15-16]研究中详细描述。为确保实验结果的可靠性，实验在相同初始条件下重复测试至少3次。

2 结果与讨论

图2展示了在环形通道中，用高速摄影方法得到的火焰传播过程典型形态的时序图，分别采用C2H4+3O2与C2H2+2.5O2+3.5Ar混合气体在初始压力20 kPa条件下进行实验。以高速摄影机首次捕捉到可见电火花的时刻作为燃烧始点，图中依次选取了火焰传播过程中最具代表性的形态，描述了环形通道内火焰发展的重要阶段，以及火焰加速与向爆轰转捩过程中的流动特点。在火焰发展的前半阶段，两种系统内火焰形态变化过程接近，可以一起讨论。以C2H4+ 3O2一组为例，在开始时刻，球形火焰由弱点火产生，在环形通道内向四周自由膨胀，如图2(a)①所示，火焰边缘逐渐向通道的两侧壁面靠近但并未与其接触。接着，由于火焰的侧边接触到壁面，火焰表面积有所减少。同时，火焰锋面沿着通道传播路径照常加速，使火焰由初始时刻的球形转变为手指形，如图2(a)②所示。随后，由于环形通道特殊的几何条件，手指形火焰下部的边缘沿着内壁传播，上部的边缘沿着外壁传播，相同时间内火焰在半径较小的内壁得以转过更大角度，呈现出下部领先于上部的趋势，这导致火焰锋面逐渐倾斜，由手指形逐渐拉长为舌形。拉长的火焰舌尖持续朝着周向以及横向扩展，火焰锋面倾斜程度逐渐增大，因此这一时间段内火焰表面积有显著增长，如图2(a)③④所示。两种系统内火焰发展的区别主要体现在后半阶段的局部爆炸方式上。对于C2H4+ 3O2系统，在图2(a)⑤⑥中，由于在舌形火焰发展过程中，火焰内部存在不稳定性的影响，火焰锋面形成了较为明显的皱褶。根据Thomas等[17]和Khokhlov等[18]提出的理论，冲击波和火焰之间的反复相互作用会导致RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性，使火焰表面遭到破坏，促进了局部混合并提高燃烧速率，因此温度和压力显著升高，不稳定性增大。接下来，在环形通道外壁面靠近舌形火焰头部位置处可以观察到局部爆炸，如图2(a)⑦所示。外壁附近与爆炸激波耦合的火焰头部追赶上了之前在内壁附近领先的火焰头部，整个爆轰波最终形成了，如图2(a)⑧所示。对于C2H2+2.5O2+3.5Ar系统，由于有Ar的稀释使混合气爆轰敏感性降低[19-20]，爆轰前沿的不稳定性受到抑制，舌形火焰在其前方产生激波，激波在火焰边缘与外壁狭小的区域发生合并、重叠，并与外壁作用产生高温高压，最终在远离火焰边缘的外壁处实现冲击波聚焦点火引发的局部爆炸，如图2(b)⑧所示形成了爆轰。

图2 环形通道在初始压力为20 kPa条件下实验所得高速摄影时序图Fig.2 Experimental high-speed image sequence of the flame propagation in the curved section channel at the initial pressure of 20 kPa

图3进一步描述了图2(a)中火焰的传播速度以及表面积随时间的变化情况，依据火焰速度演变将全过程分为四个阶段，通道中线上的火焰传播速度以及火焰表面积分别用Dcen和Af表示。在第一阶段，火焰速度最大值仅有约154 m/s(实验室坐标下)，此时处于最初的球状火焰阶段，表面积Af逐渐增大。这一过程属于火焰无受限的自由膨胀。在火焰未接触到管道壁面前，火焰的面积是逐渐增大的。与火焰燃烧面积密切相关的火焰燃烧速度持续增大，这使得火焰加速向四周膨胀。这一过程对应了图3中Ⅰ阶段的火焰速度Dcen的线性增加。第二阶段，由于火焰边缘接触到两侧的壁面，冷壁面导致管道附近火焰淬熄，此时火焰表面积Af显著减少，导致火焰速度Dcen下降，对应图3中Ⅱ阶段。在第三阶段，火焰在环形通道内的进一步传播，形成稍向内壁面倾斜的指形火焰，速度缓慢加速至250 m/s附近。这一过程的火焰阵面由于Landau-Darrieus(L-D)不稳定性引起了火焰面出现皱褶，这会进一步增大火焰阵面面积，使火焰初期进一步加速传播。随后，内壁面附近火焰速度显著高于外壁面，此时手指形火焰发展为舌形火焰，表面积Af在此阶段后期达到了全过程最大值，约为2 415 mm2。在火焰传播速度与火焰表面积之间形成正反馈机制。舌形火焰的锋面随着传播被逐渐拉长，使得火焰表面积增大，火焰与火焰前方未燃气体进一步充分接触，增强了燃烧反应速率以及火焰前方激波强度，火焰传播速度能够持续增大。此时火焰速度达到了692 m/s。在第Ⅲ阶段后期，受到外壁面的约束限制，虽然火焰区域仍在持续扩大，但当火焰外侧边缘接触到外壁面之后，尽管火焰表面积Af开始大幅度下降，但此时湍流在火焰加速过程中起到了关键的作用，火焰传播速度继续保持增长的趋势，直至达到雍塞条件。在第Ⅳ阶段，火焰加速至C-J理论值的一半，当条件允许，在火焰阵面附近的局部爆炸瞬间将火焰速度提高至2 900 m/s左右，此时常规的爆燃模式转为过驱爆轰。

图3 火焰表面积Af和通道中心线火焰速度Dcen 随时间的变化Fig.3 Evolution of the flame surface area Af and the velocity of the flame along the centerline of the channel Dcen

图4进一步描述了经历了三段时间Δt1、Δt2、Δt3后火焰面(flame surface，FS)位置与边界层的演变情况，由于缺乏对流动速度以及引导激波和火焰的相对位置的准确测定，无法定量计算边界层厚度，故只对舌形火焰的边界层厚度变化作定性分析。众所周知，在点火以后，加速的火焰会在火焰前方诱导出具有平缓周向速度的流动。因此，流动与侧壁的相互作用导致了内壁附近边界层的形成。图4中可见内壁面附近火焰边界层厚度逐渐增加，边界层厚度随流动-边界相互作用时间的发展过程此前由Kuznetsov[21]等采用直管实验加以研究。边界层在压缩波中开始产生并持续发展。当火焰沿着侧壁传播时，沿着火焰通路，火焰与边界层的相互作用变得越来越弱。边界层的源头逐渐传播的比火焰本身更快，导致了沿着通道方向边界层厚度的增加。随后，激波会在火焰前方产生，如Ciccarelli等[6]所描述，诱导产生了湍流边界层。火焰与湍流边界层之间的相互作用造成了通道壁面附近燃烧速率的显著增加，舌形火焰的形状沿着内壁面进一步拉伸，在内壁附近产生了活跃的燃烧反应区域。

图4 环形通道中经过Δt1、Δt2、Δt3后火焰 位置与边界层的演变Fig.4 Evolution of flame positions and boundary layers during three different periods Δt1, Δt2, and Δt3 in curved channel

环形通道中初始压力p0对火焰传播速度Dcen的影响如图5所示。通过对C2H4+ 3O2在初始压力为15、20、25 kPa条件下开展实验，获得火焰传播速度在不同压力下的变化对比。由图5可知不同初始压力下火焰速度变化趋势相同，即燃烧初始阶段由于火焰表面积较小导致燃烧反应较弱，火焰速度较低；之后随着舌形火焰在内的发展使火焰表面积增大，相应的火焰速度逐渐增大，在燃烧后期由于外壁附近存在局部爆炸，外壁附近火焰骤然加速，火焰锋面速度整体急剧增长，达到过驱爆轰状态。对25 kPa条件下的实验组来说，其火焰传播速度在前三阶段总体高于20 kPa条件下的，20 kPa对比15 kPa亦然。各压力下的火焰分别到达该组第四阶段后，25 kPa一组最早在外壁附近产生局部爆炸，大约在220°位置处，且达到过驱爆轰时的速度为三组最高，约为3 441 m/s；同理20 kPa组的局部爆炸位置早于15 kPa组，过驱爆轰速度大于15 kPa组。因此，初始压力的增加有助于增加火焰速度，缩短局部爆炸产生的距离，相应的缩短DDT距离LDDT，同时增加爆轰速度。

图5 火焰传播速度Dcen与初始压力p0之间的关系Fig.5 Relation between initial pressure p0 and flame velocity Dcen

Kuznetsov等[21]指出，不同类型的预混气体的起爆机制可能有所不同。选择两类代表性的预混气体分别代表稳定性和不稳定性混合物进行实验研究。对于氩气稀释的稳定混合物C2H2+2.5O2+3.5Ar，其化学反应性通常对任何温度扰动(变化)都不太敏感，因此爆轰结构是“层状”的，胞格前沿是有规律的，不稳定性在爆轰波传播过程中的作用可以忽略。相比之下，不稳定混合物和C2H4+ 3O2通常具有高活化能的特点，因此，化学反应很容易受到温度扰动(变化)的影响。这导致了一个具有小规模的扰动或不稳定的高度不稳定的反应区，在不稳定混合物的胞格爆轰模式是非常不规则的。图6表示了不规则和规则爆轰胞格系统在不同初始压力下的两种不同的起爆模式。从图6可知，LDDT随着p0的增加而减少，这与参考文献[21]中DDT起爆距离LDDT与直管中初始压力p0成反比的论述相符。在初始压力相同的条件下，C2H4+3O2一组中的LDDT小于C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar一组，不规则系统在低初始压力时对缩短LDDT的效果更好；对C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar混合气体，LDDT与初始压力p0之间的关系式表示为LDDT=-4.4p0+1 075.5；对C2H4+ 3O2混合气体则表示为LDDT=-2.2p0+937.5。当初始压力p0升高幅度相同时，C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar一组LDDT随p0变化的拟合线斜率大于C2H4+ 3O2一组，这表明相对于局部爆炸起爆模式，激波聚焦起爆模式对初始压力的变化更加迟钝。因此在初始压力较低的条件下，规则系统需要更长的时间靠产生激波来诱导外壁处的混合气点燃。

图6 初始压力p0与DDT距离LDDT之间的关系 Fig.6 Relationship between deflagration detonation transition LDDT and initial pressure p0

3 结论

在内径为175 mm、外径为225 mm的环形通道，在10～40 kPa初始压力范围内，开展对C2H4+ 3O2和C2H2+ 2.5O2+ 3.5Ar的火焰传播与爆轰转捩的实验研究，得到结论如下：

(1)环形通道几何效应对火焰传播的影响产生了一系列火焰模式：球形火焰、手指形火焰、舌形火焰以及爆轰。两种系统的爆轰起爆方式不同，C2H4+3O2中局部爆炸由不稳定性引起，C2H2+2.5O2+3.5Ar由激波聚焦引起局部爆炸。

(2)环形通道内舌形火焰在爆轰起爆过程中发挥了重要作用。沿舌形火焰传播方向，内壁附近的边界层逐渐增厚，火焰褶皱程度增大，燃烧反应速率增加。

(3)初始压力增大有助于缩短DDT距离，并提高过驱爆轰速度。激波聚焦模式对初始压力的变化更加敏感，不稳定模式在初始压力较低时相对更能缩短DDT距离。

本实验研究结果进一步完整地描述了环形管道内火焰加速至起爆的全过程，区分了两种不同类型的预混气体爆轰起爆机制。并定量分析了起爆距离随初始压力的变化关系。在科学层面揭示环形管道内火焰加速、激波与火焰相互作用转化规律和机制，详细分析了壁面敛散性对爆轰起爆的影响。进一步讲，研究结果不仅为工业管道安全防护的设计参数提供一定的数据支持，也对旋转爆轰发动机燃烧室内爆轰起爆的研究也具有一定的参考价值和借鉴意义。