由爆震波与栅栏状障碍物相互作用引发的爆炸

《Combustion and Flame》：Detonation initiation from a deflagration wave interacting with fence-type obstacles

氢氧混合物在80mm方形通道中通过冲击波-火焰复合体向爆炸波过渡的研究。实验采用高速schlieren成像、压力传感器和烟熏箔片，揭示了两种典型火焰结构（fast flame和strange wave）的过渡机制：前者通过障碍物角区局部爆炸引发 detonation，后者依赖前驱冲击波强度，临界马赫数为2.24。

　　

作者：李全|胡华桥|潘振华|徐明军

安徽工业大学土木工程学院，中国合肥230009

摘要

在80毫米见方的通道中进行了实验，研究化学计量比的氢氧混合物中独特的激波火焰复合体向爆震的转变过程。激波火焰复合体结构在通道前2.48米处形成，随后在底部装有栅栏式障碍物的0.63米长测试段内发生了爆震转变（DDT）。高速明暗相间条纹、压力传感器和烟尘薄膜被用来识别火焰结构的形成和DDT过程。根据前导激波与后随火焰之间的耦合情况，激波火焰复合体被分为快速火焰或奇异波。前进的火焰与通道末端壁反射的激波发生两次正面碰撞（FSI），第二次FSI产生了具有巨大加速潜力的漏斗形火焰。对于漏斗形火焰而言，FSI前的火焰状态是决定是否发生耦合的关键因素。对于快速火焰，热点与未燃烧混合物在障碍物角处的混合引发了局部爆炸，进而转变为爆震波，这一过程不涉及前导激波。而对于奇异波，爆震的起始可能是瞬间的，也可能是延迟的，这取决于前驱激波的强度。实验发现奇异波向爆震转变的临界马赫数为2.24。

引言

亚音速燃烧（deflagration）在热扩散的控制下可以通过一个称为爆震转变（DDT）的过程转变为超音速爆震[1,2]。DDT是由于火焰加速（FA）引起的关键现象，其应用范围广泛，从爆炸安全[3,4]和爆震推进[5,6]到超新星爆炸[7]等领域。然而，对DDT基本机制的理解仍然是燃烧理论中的一个挑战[8,9]。部分原因在于DDT是一个极其快速、随机且非线性的现象，受多种因素的复杂相互作用影响，包括混合物性质、通道几何形状和尺寸、初始和边界条件以及点火能量[7,10]。

通常，在光滑通道中，初始静止混合物的弱点火会引发层流火焰，该火焰可以自发加速到最大速度，即Chapman-Jouguet（CJ）爆震速度的一半（1/2 V_CJ）。以1/2 V_CJ速度传播的火焰表现为激波火焰复合体，被称为快速火焰或阻塞火焰[11]。Kuznetsov等人[12,13]和Liberman等人[14]通过实验研究了边界层对光滑通道中FA和DDT的影响。他们注意到，当火焰前沿的速度达到1/2 V_CJ时，由于压力波与边界层附近火焰前端的相互作用，爆震（DO）会在边界层中发生。Krivosheyev等人[15]使用自发光立体摄影技术研究了光滑透明管中FA最后阶段的爆震起始现象。他们观察到了火焰前端的四种典型爆震起始情况，此时火焰形状类似“纸锥”。Dexter-Brown和Jayachandran[16]在光滑管中也观察到了类似的火焰形状和爆震现象。Melguizo-Gavilanes等人[17]使用明暗相间条纹和阴影图技术在狭窄光滑通道中实验观察了DDT现象。他们发现，当后随火焰与前导激波之间的分离距离达到反应长度的数量级时，会发生DDT。Han等人[18]模拟了光滑通道中的FA和DDT过程。他们观察到火焰呈现出漏斗形状，其中形成多个热点，而其前端并未与前导激波耦合。Ballossier等人[19]通过同时使用明暗相间条纹可视化技术显示，转变前的火焰拓扑结构是不对称的，爆震起始发生在激波诱导的预加热区域靠近火焰前沿的位置。Yang等人[20]在超窄通道（10毫米宽）中研究了DDT现象，观察到多种DDT模式，这可能与转变前的激波火焰复合体特定结构有关。

Yanez和Kuznetsov[21]在长度为1米、截面为5 × 5毫米或10 × 10毫米且开口端的光滑通道中进行了DDT实验。他们注意到，在转变之前，后随火焰与前导激波强烈耦合，这与[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20]中的情况不同，在那些研究中两者是解耦的。这种独特结构最初由Khokhlov[22]理论提出，他们称之为“奇异波”，后来Thomas[23]通过实验进行了验证。Bykov等人[24]重新研究了狭窄光滑通道中的奇异波向爆震的转变过程。他们报告说，后随火焰迅速加速并与前导激波耦合，形成奇异波，随后很快转变为稳态爆震，且没有局部爆炸现象。

实验和数值模拟表明，火焰路径中的障碍物可以以可控的方式促进DDT的发生[11,14,[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32]。Xiao等人[33],[34],[35],[36]系统地进行了考虑障碍物形状和排列的实验和数值模拟。他们发现，DDT前的湍流火焰刷结构特征是一个强烈的前导激波，其后是一个分离距离较短的热流火焰。此外，他们的研究结果表明，障碍物的形状和排列对DDT有显著影响，例如影响激波强度。Goodwin[37]通过数值研究减少了阻塞比（BR）对DDT的影响。随着BR的减小，DDT机制从由马赫杆反射形成的热点转变为由于激波聚焦直接引发的爆震。Gamezo[38]和Valiev[39]研究了障碍物间距对FA和DDT的影响。他们发现，小的障碍物间距有利于FA，但不利于DDT，因为会引入强烈的衍射。在最近的研究中，Li[40]实验研究了等间距立方体对不同混合物中DDT的影响。他们发现，DDT的发生取决于转变前形成的激波火焰复合体结构。具体来说，在初始压力（P_i）< 15.1 kPa的2H₂–O₂混合物中，DDT是由于前导激波在障碍物上的反射引起的；而对于P_i > 17.6 kPa的情况，火焰以无前导激波波列的形式进入粗糙壁段，DDT是由火焰前沿远处的湍流混合引起的。Li[41]在粗糙度为0到0.7的连续三角形障碍物通道中实验研究了FA和DDT。结果表明，激波火焰复合体结构受到BR的显著影响，从而导致不同的DDT过程。Maeda[42,43]使用类似砂纸的布料和1毫米高的金字塔形元件生成了壁面粗糙度，研究了小BR（例如BR < 0.1）下的DDT。他们观察到，爆震主要发生在靠近粗糙壁的火焰前沿，该位置与前导激波的距离较远。他们提出，爆震是由压力波与壁面粗糙度的多次相互作用产生的热点引起的。

先前的研究表明，火焰路径中的障碍物有助于火焰加速，从而形成特定的燃烧结构。DDT机制受到转变前形成的燃烧结构的密切控制，障碍物参数对激波的衍射和反射起着关键作用，这通常导致爆震的起始。障碍物的几何形状、排列和大小可能存在无限变化，这使得无法将燃烧结构的形成与障碍物本身分离，而仅专注于DDT机制本身。本文的目的是通过将特定的燃烧结构从前置障碍物的影响中分离出来，来研究爆震起始的基本机制。这是通过在光滑壁通道中产生一个独特的燃烧波，然后使其与测试段中的栅栏式障碍物相互作用来实现的。通过这种方法，障碍物不会影响转变前的燃烧结构。因此，我们识别出两种不同的结构，即典型的快速火焰和奇异波；更重要的是，我们揭示了控制向爆震转变的机制和临界条件。据作者所知，之前尚未有报道过障碍物引起的奇异波向爆震的转变。

实验装置

实验在一个3.78米长的铝制方形通道中进行，通道截面为80毫米×80毫米，由六个模块化部分组成，包括传播段、光学段和排放槽。通道的示意图如图1a所示，与Li等人[40]使用的通道相同。传播段长度为2.52米，使火焰能够在测试段之前加速到稳定阶段，即快速火焰达到1/2 Chapman-Jouguet（CJ）速度

爆震转变的速度特征

图2显示了视野（FOV）内12.5%和37.5%栅栏式障碍物情况下火焰前沿前端的速度。图中还显示了Chapman-Jouguet速度（V_CJ）、产物中的声速（a_p）和反应物中的声速（a_u），这些数据是使用Cantera[44]中的化学平衡求解器计算得出的。作为参考，视野内的障碍物（OB）1–5在x轴上以示意图形式表示。根据视野开始时的明暗相间条纹图像，燃烧

火焰加速结束阶段的火焰结构

上述结果表明，DDT机制高度依赖于转变前的火焰结构。观察到了两种类型的火焰结构，根据前导激波与后随火焰之间的耦合情况，分别被分类为奇异波和快速火焰。值得注意的是，在获得最终结构之前，加速中的火焰总是与反射的激波发生了两次正面碰撞。

结论

实验成功地将独特的激波火焰复合体结构从前置障碍物的影响中分离出来，并对其后续的爆震转变进行了研究。根据侧视明暗相间条纹摄影和压力记录，火焰被分类为快速火焰或奇异波。点火后，前进的火焰在不同阶段产生了两个激波

创新性和意义声明

本文的创新之处在于将燃烧转变（DDT）前的火焰结构从前置障碍物的影响中分离出来。本研究在一个80毫米见方的通道中进行，采用了新颖的布局：2.52米长的光滑壁段用于火焰加速，随后是一个0.63米长的光学可访问测试段，底部装有障碍物以促进DDT。这种布局使我们获得了两种独特的火焰结构（奇异波和快速火焰

CRediT作者贡献声明

李全：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资源获取、正式分析、概念化。胡华桥：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、数据整理。潘振华：撰写——审稿与编辑。徐明军：撰写——审稿与编辑、监督。