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1、2 2 1 关于爆轰物理研究的几个基础性课题 姜宗林 ( 中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室，北京市北四环西路1 5 号1 0 0 0 8 0 ) 摘要：本文回顾了爆轰物理研究的一些重要进展，探讨了几个基础性研究课题，这些问题包括：爆轰胞格的 普遍性；化学反应动力学对胞格结构的影响；爆轰波发展机理及其基本因素和爆轰现象的可模拟性。百年来 爆轰物理方面的研究进展是显著的，但是关于爆轰现象的机理研究尚期待重大突破。 l 绪言 爆轰波是一种具有复杂波结构和热化学反应过程的超声速燃烧现象，人们依据不同的目的，从不同 角度对它进行了大量的研究：例如，爆轰波的特征热力学参数，动力学参数，波结构和
2、胞格等。经典的 C - J 理论不考虑爆轰波结构和化学反应过程，应用一维的守恒方程和声速条件，通过平衡热力学关系给 出了爆轰波速、波后的压力、温度和密度等特征热力学参数。即使在爆轰波结构高度三维的临界条件下， 应用C - J 理论预测的结果和实验数据符合良好。考虑爆轰波的三维结构和化学反应，人们研究另外一类 参数来描述爆轰现象：诸如，化学反应速率、爆轰极限、起爆能量、临界直径、反应区厚度、胞格尺度 等等。这类参数定义为爆轰动力学参数( d y n a m i cd e t o n a t i o n p a r a m e t e r s ) 以区别于C - J 理论预测的热力学 参数( t
3、h e r m o d y n a m i cd e t o n a t i o n p a r a m e t e r s ) 。和热力学参数相比这些参数更进一步地描述了爆轰波特征。 Z N D 模型对C - J 理论进行了改进，引入反应区的长度尺度，将爆轰波简化为一个先导激波跟着一个反应 诱导区和释热区。结合物理模型和一维守恒方程，Z N D 模型可以应用于爆轰波结构的数值计算。由于 Z N D 模型结构的不稳定性，应用Z N D 模型计算的爆轰波结构和实验结果常常相去甚远，但是它把爆轰 波热力学参数和动力学尺度结合起来研究爆轰现象【l 】，为深入进行波结构和胞格方面的实验和计算研究 奠定
4、了基础。关于爆轰波结构的研究表明爆轰波面是由入射激波、马赫干和横向激波组成的非定常三维 结构，定性地反映这种非定常波结构的结果就是实验得到的周期性爆轰胞格。爆轰波结构和胞格主要受 燃烧化学反应和激波相互作用的影响，也与爆轰波特征热力学参数与动力学尺度密切相关【2 】。 一百多年来关于爆轰波的理论和实验研究取得了重要进展，特别是c J 理论和Z N D 爆轰模型，它 们将作为重要概念性的理论分析手段应继续用于爆轰研究中。但是，关于爆轰波的本质特性人们依然不 清楚，比如：爆轰波的不稳定性、横波在化学反应进程的作用、先导激波和横波诱导的温度波动、三波 点诱导的接触间断失稳定产生的剪切流动引起的不同反
5、应速率气体的混合。另外，化学反应速率依赖于 温度和反应活化物，上述的参数波动可能对化学反应速率产生重要影响。成功的一维理论常常限制了人 们关于非定常、不稳定三维爆轰波探索时的想象力。所以，解放思想，激发创新性的研究思路，提出新 的概念来模拟爆轰波的发展过程，对于推进爆轰波物理的研究是极其重要的。 2 爆轰胞格的普遍性 在所有自持气相爆轰波的传播过程中都可以观测到爆轰胞格。这些胞格的结构及其规则性随可燃气 作者简介：姜宗林( 1 9 5 5 - ) ，男，研究员，全国激波与激波管专业委员会主任，主要研究方向为爆轰物理研究。 体的成分变化而改变。由高比例氩气稀疏的可燃气体爆轰可以产生很规则的胞格结
6、构，就象图1 给出的 由氩气稀疏的氢氧混合气爆轰的胞格结构那样。大多数的碳氢燃料和空气混合的可燃气体爆轰常常产生 不规则的胞格，而更不规则的胞格结构是在应用含有溴化物和其它高热比物质的可燃气体爆轰实验中观 测到的，图2 表示了类似的实验结果。目前关于爆轰胞格的理论模型是建立在由高比例氩气稀疏的可燃 气体爆轰在管道里传播的实验结果上的，对于理解爆轰波现象是非常有意义的。但是，关于大量不同气 体的实验表明，爆轰胞格尺度不具备普遍性，由规则胞格结构的爆轰研究得到的规律对于解释具有非规 则胞格结构爆轰现象是有限制的。 F i g u r eIR e g u l a rc e l l u l a rc
7、e l lp a t t e r n ss h o w i n gd e t o n a t i o ns t r u c t u r e si nt h eg a sm i x t u r eo f H 2 - 0 2d i l u t e dw i t hA r g o na t1a r m F i g u r e2I r r e g u l a rc e l l u l a rc e l lp a t t e r n ss h o w i n gd e t o n a t i o ns t r u c t u r e si nt h eg a sm i x t u r eo fC 2 H
8、 2 - a i ra t1a t m 3 化学动力学对爆轰胞格的影响 许多关于化学动力学对爆轰胞格影响的研究致力于寻找一种依据化学反应尺度的简单关系去描述 化学反应和爆轰胞格的相关规律，最成功的例子是Z N D 模型。应用Z N D 模型和化学反应动力学可以计 算爆轰反应区长度，再作为参考尺度通过相关规律来度量爆轰胞格尺度。一般来讲，爆轰宽度和反应区 长度的比值依据反应气体组分变化在1 0 1 0 0 作有规律的变化。虽然Z N D 模型的可应用依然受到质疑， 但是除了这个很有意义的结果以外，人们对胞格结构和化学反应动力学之间的关系知之尚少。 一般认为，可燃气体的组分是确定胞格结构无序程度的
9、一个关键参数：活化能是另外一个关键参数， 曾经被广泛地应用在线性理论模型里，而活化能的增加常常诱导胞格结构更强的无序程度。胞格结构是 一种强非线性物理现象，很难应线性理论来描述它，这也是线性理论模型在爆轰物理研究中具有局限性 的原因。可是，我们可以把如图3 所示的规则胞格结构定义为一种弱不稳定现象，具有较弱的非线性； 而把如图4 所示的不规则胞格结构定义为一种强不稳定现象。它们之间谱带结构的确定需要通过应用精 细的化学反应机制去直接模拟爆轰现象，并开展相关的流动不稳定和化学反应不稳定分析去研究。 第十二届全国激波与激波管会议论文集2 2 3 F i g 3R e g u l a rc e l
10、l u l a rs t r u c t u r eo f d e t o n a t i o nf r o n t ss h o w i n ga “w e a k l yu n s t a b l e ”d e t o n a t i o n ，t h ed e t o n a b l eg a sm i x t u r eo f 2 奶+ D 2 + 2 A r F i g 4I r r e g u l a rc e l l u l a rs t r u c t u r eo f d e t o n a t i o nf r o n t ss h o w i n ga “s t r o
11、n g l yo rh i g h l yu n s t a b l e ”d e t o n a t i o n s ，t h eg a sm i x t u r eo f C 3 H 8 0 2w i t hE a R 1 r = 10 ( R a d u l e s c u ，2 0 0 3 ) 4 爆轰胞格的动力学特性 具有规则胞格结构可燃气体爆轰的动力学特性与非规则胞格结构可燃气体是不同的。例如，碳氢燃 料和空气混合气体产生的爆轰波从有限空间到无有限空间传播时，临界管径是胞格宽度的1 0 一1 5 倍。对 于由氩气稀疏的可燃气体爆轰临界管径是胞格宽度的4 0 多倍。当爆轰波传播进入具
12、有多孔壁面的管道 时，规则胞格结构和非规则胞格结构可燃气体爆轰波的熄爆距离也是不同的，氩气稀疏的可燃气体爆轰 可以传播1 0 0 多个胞格宽度，而碳氢燃料和空气混合气体爆轰仅仅能维持4 5 个胞格宽度。根据这些观 测结果，比较图5 a 和图6 a 的纹影照片，人们认为引导激波后的燃烧过程可能存在着本质不同，特别是横 波碰撞的差别和湍流与层流燃烧的不同。图5 的P L I F 结果表明：O H 的变化是平稳的，且周期性，横波对 化学反应的影响是有限的。对比燃烧理论，可以认为弱不稳定爆轰现象代表一种层流燃烧过程。图6 的 结果表明：O H 的变化是剧烈的，而且具有很强的非周期性，大量的O H 出现
13、在三波点碰撞部位，间断界 面是不稳定的，因而强不稳定爆轰现象可能代表一种湍流燃烧过程。几十年的研究使得人们对弱不稳定 爆轰现象理解的比较多，而对强不稳定爆轰现象尚缺乏了解。如果说弱不稳定爆轰现象表示一种激波诱 导链式热化学爆炸过程，那么强不稳定爆轰波后的燃烧过程要远远复杂得多。 2 2 4 匐b )c )由 F i g 5S c h l i e r e na n dP L I Fi m a g e so f d e t o n a t i o nf r o n t si nt h eH 2 - 0 2 - A r m i x t u r e sw i t ht h en o r m a l i
14、 z e de f f e c t i v ea c t i v a t i o ne n e r g y o f E a R T v N = 5 ( J o s e p h ，2 0 0 3 ) b )c )d ) F i g 6S c h l i e r e na n dP L I Fi m a g e so f d e t o n a t i o nf r o n t si nt h eC 2 H 4 0 2 - N 2m i x t u r e sw i t ht h en o r m a l i z e de f f e c t i v ea c t i v a t i o ne n
15、 e r g y o f E a R T v N = 11 - 1 2 ，( J o s e p h ，2 0 0 3 ) 5 爆轰发展过程的基本要素 图7 表示燃烧产物形成的湍流射流诱导的爆轰波起爆现象，在1 1 4 微秒的纹影照片上可以观测到 局部爆炸，这个爆炸发展成为过驱动的爆轰泡，然后发展成为后来的爆轰波。图8 表示了激波通过障 碍物后诱导的爆轰起爆过程，起爆过程起始于管道的上壁面，是由激波反射产生的局部点爆炸引起的。 这种类似的现象也可以在燃烧边界层和激波汇聚诱导的爆轰起爆过程中观测到，从而可以断定为爆轰 波起爆过程中存在一个基本的物理因素。 为了进一步起爆过程的基本的物理因素，图9
16、 给出了激波通过障碍物诱导的爆轰波起爆过程的数 值模拟结果。由图9 a 可见在第一块障碍物反射区产生的H O 和化学反应自由基的很大一部分被气流 带向下游。在运动过程中，由激波反射加热的这部分气体经过了化学反应的诱导过程。这部分气流作 用于第二块障碍物诱导生成一个片状激波，激波又提高了气体的温度导致了更强的化学反应，生成更 多的H O ，释放更多的化学反应热，产生了图9 b 所示的热点。激波扰动触发热点产生爆炸，然后发 展成为爆轰。 一一 第十二庙全国激波s 激波管会议论文集2 2 5 一一一 F i g 7L o c a le x p l o s i o ni nd e t o n a t i o ni n i t i a t i o nb yt u r b u l e n tm i x i n g w i t hah o tt u r b u l e n t j e to f c o m b u s t i o np
