不稳定性对气相爆轰波起爆与传播的影响机理研究

The instability of detonation characterizes the impact degree of dynamic chemical reaction parameters on the detonation wave, which is of great important to the typical detonation dynamic process (e.g., initiation and propagation), but some related problems still need to be addressed further. The critical energy of direct detonation initiation and critical tube diameter for propagation are considered as the characteristic parameters of initiation and propagation for detonations, respectively. Thus, the influence mechanism of instability on the initiation and propagation of gaseous detonations are determined by the behaviors of critical energy and critical tube diameter under different extend of the instability. First, the critical amount of Ar dilution is used to distinguish the unstable and stable detonation, it is determined by the combination of experimentally measured critical energy and the theoretically calculated chemical kinetics, based on which the quantitative basis of unstable/stable detonation is established and the mechanism of the instability on the critical energy is then explored. Secondly, obstacles and acoustic absorbing materials are inserted into the tube to promote and weaken the detonation instability, respectively. The influences of instability on the unstable and stable detonation under the critical propagation tube diameter condition are systematically investigated. Thirdly, the relation between critical energy and critical propagation tube diameter at the same instability value is studied. The results may further the understanding of the principles of detonation initiation and propagation and their physics relationship, which contribute to the study of the complicated mechanism of detonation dynamics.

不稳定性表征了化学反应动力学参数对爆轰波的影响程度，对包括起爆和传播在内的典型动力学过程极为重要，但相关机理仍存在较多认识上的难题。本项目把直接起爆形成爆轰的临界能量和传播临界管径分别作为爆轰波起爆和传播的特征参量，通过研究不稳定性影响各特征参量的规律，探析爆轰波起爆和传播过程中不稳定性的影响机理。拟结合直接起爆临界能量的实验测量与化学反应机理的定量计算，获得爆轰波非稳定至稳定过渡的临界Ar稀释浓度及其典型特征，以此建立判断二类爆轰波的定量依据，并阐明不稳定性对爆轰波起爆的作用机制；在管道中设置障碍物和声学吸收材料控制不稳定性，研究二者对爆轰波传播特性的影响，揭示不稳定性对爆轰波传播的作用机理；在上述基础上，进一步建立爆轰波起爆与传播特征参量在各爆轰不稳定程度作用下的关联模型。本项目可揭示不稳定性对爆轰波的起爆和传播的作用规律以及起爆与传播之间的物理联系，对理解爆轰动力学复杂机理具有意义。

爆轰不稳定性表征了化学反应动力学参数对爆轰波的影响程度，因此不稳定性对爆轰波的起爆和传播极为重要。本项目通过系统研究揭示了不稳定性主要来源于两方面：一是可燃混合气体自身的物化属性的改变；二是来自于爆轰波传播的边界条件。因此，本项目首先研究了不同属性的可燃混合气体的基础燃烧特性（如爆炸极限、最大爆炸压力、层流燃烧速度等），揭示了多元燃料的爆炸和燃烧特性的影响机理、获得了不同的单元燃料混参比例对混合物燃烧参数的影响机理等，同时基于获得的大量数据，建立了一种计算层流燃烧速度的简化模型。成果为研究可燃气体属性对爆燃和爆轰传播特性的影响机制提供了科学依据。其次，重点开展了不稳定性对气相爆轰波起爆与传播规律的研究，包括：1）基于光纤技术和爆轰波测压技术建立一套可用于测量在不同规格的管道中爆轰波传播速度的方法，基于该方法研究并揭示了燃料的组分变化对爆轰波传播规律以及爆轰波结构的影响机制，并阐明了燃料组分变化导致爆轰不稳定性的差异对爆轰波传播的影响规律；2）开展了壁面效应对爆轰波传播规律影响规律的研究，揭示了管壁粗糙度不仅会促进爆轰的传播，也会抑制爆轰的传播；3）研究了爆轰波在微尺度和宏观尺度管道内传播的规律，研究发现：在不同规格的管道中，爆轰波存在多种非稳定传播模式，如波动模式、驰振爆轰模式等，这主要是由于能量亏损对爆轰波传播的削弱作用和爆轰不稳定性的激励作用存在竞争机制。最后，本项目研究了PX（对二甲苯）与典型可燃混合气体的爆燃及爆轰规律，并基于化学动力学建立了爆轰临界能量与典型化学反应区长度（ZND诱导区长度）之间的联系。本项目完成了申报书中的研究内容，达到了预期研究目标，以第一或通讯作者身份发表SCI论文16篇，授权国家发明专利1项，并于2015年8月在英国利兹获得由国际爆炸动力学与反应系统学会（ICDERS）颁发的John H.S. Lee Young Investigator Award，为获此奖项首位中国青年学者。