气相多元混合燃料爆轰极限动力学特性研究

The near detonation limits behavior is one of the fundamental problems of gaseous detonation dynamics, which is important for developing the detonation control technology. Due to the complexity of the phenomenon and mechanism of the detonation near its limits, some issues that we are still not fully understand and therefore need to be further explored. In this project, we mainly focus on the near detonation limits behavior in H2-CO-O2/air and H2-CH4-O2/air (called multi-component fuel mixtures) under different initial conditions, based on the consideration that those mixtures have a wide application background in industry. First of all, detonation propagation behaviors for multi-component fuel mixtures are investigated, the critical conditions that from detonation steady propagation to its failure are analyzed, a quantitative scientific basis for determining the detonation limits is developed base on the aforementioned work. Secondly, the key factors (i.e., concentration gradients, roughness of tube wall, heat loss, composition of different fuels, initial conditions, instability, etc) that affect the detonation limits are quantitatively studied. Lastly, the dynamic parameters of gaseous detonation limits are deeply analyzed, the characteristic parameters and theoretical prediction model for detonation limits are examined. The results may further the understanding of the features of detonation limits in multi-component fuel mixtures, which contributes to a better comprehension of the complicated mechanism of detonation dynamic characteristics and furthermore, provides important evidences for investigating detonation physics.

气相爆轰极限是爆轰动力学的基础问题，相关研究对于发展爆轰控制技术具有重要意义，由于接近极限状态时爆轰波传播现象和机理的复杂性，诸多问题仍存在认识上的困难，尤其是针对有着广泛应用背景的多元混合燃料。本项目把合成气和参氢甲烷两种混合燃料作为研究对象，以不同体积比与氧气/空气组成气相多元燃料混合物，系统研究各混合物爆轰极限动力学特性。首先研究多元燃料混合物爆轰波在典型管道中传播和失效的动力学规律，以此建立判断爆轰极限的科学依据；进一步研究燃料浓度梯度、管壁粗糙度、热量损失、多元燃料的组分和工况、不稳定性等关键因素及其耦合作用对爆轰极限的定量影响机制；在上述基础上，提炼出能表征爆轰极限多因素耦合关系的等效参量，从而建立基于等效表征参量的爆轰极限定量预测模型。研究结果可拓宽和加深对多元混合燃料爆轰波接近极限状态动力学特征与规律的认识，有助于理解爆轰极限的复杂机理，为进一步研究气相爆轰物理提供依据。

本项目把多元混合燃料作为研究对象，系统研究各混合物爆轰极限动力学特性。主要开展了以下几方面的工作：.1）研究了多元燃料混合物爆轰波在典型管道中传播和失效的动力学规律：发现了爆轰波在临近极限状态下，爆轰波在管道内传播的速度波动逐渐增大，呈现六种不同的传播模式：稳态、快速波动、结巴式、驰振式、低速以及失效模式；2）研究了典型非稳态气体爆轰波接近极限状态不稳定传播模式，发现了随着初始压力和管径的减小，边界层位移厚度增加，通过流动发散引起更多的动量亏损，从而增加速度亏损。分析表明，爆轰平均速度和无量纲参数（p0•d）-1呈线性关系；3）规则爆轰波在不同几何尺寸管道中传播，当其达到爆轰极限时，最大速度亏损均为CJ爆轰速度的14%。同时，在爆轰极限状态时，Dh/λ=0.66、并且Dh/ΔI=15，该准则可作为规则爆轰波到达极限的标准；4）在宏观尺寸通道中，爆轰波传播极限准则λ=πD在χ值较大的混合物中是有效的，但随着稳定参数值χ的逐渐减小，λ=πD这一爆轰波传播极限判定准则随后开始失效；5）对于极不规则胞格结构混合气体，由于在失效过程中存在不稳定性与失效波直接的竞争关系，因此不稳定性在一定程度上可以抵消失效波对爆轰波衰减作用。对于规则胞格结构，爆轰波速度由稳定状态向声速衰减的过程中，会出现反复的波动。而对于极规则胞格结构，直接由稳定CJ爆轰速度衰减为快速火焰；6）随着初始压力的降低，Ldcs / D和Ldcs/λ在小直径管中降低更加明显。在低初始压力下，流动结构中边界层位移厚度增长明显。由于在较小的管中，全局曲率在整个爆轰波前的分布较快，因此对初始压力下降更加敏感。7）基于对爆轰动力学过程表征参数以及爆轰波结构尺度的理解，建立了可靠的理论预测模型。通过详细分析爆轰波结构，揭示了δ*与爆轰波的诱导区（ΔI）以及反应区（ΔR）之间的定量关系，通过准确表征边界位移层厚度建立了爆轰极限高精度理论预测模型，对不同燃料具有很好的适应性。.研究结果可拓宽和加深对多元混合燃料爆轰波接近极限状态动力学特征与规律的认识，有助于理解爆轰极限的复杂机理，为进一步研究气相爆轰物理提供依据。