扰动下惰性气体对爆轰波传播影响实验研究

摘要

在工业生产中发生泄漏的可燃气体一旦遇到点火源会发生爆炸，在适当的初始条件与边界条件下会加速形成爆轰，爆轰产生的超高压将严重威胁工业生产安全，所以对于抑制爆轰波传播进行实验研究显得尤为重要。 基于此，本文利用气相爆轰实验装置获得爆轰传播速度、胞格结构、火焰传播动态参数。在管道内设置柔性障碍物将可燃气体与惰性气体进行隔绝，采用实验研究与机理分析相结合的方式，获得惰性气体对爆轰波抑制特性影响规律。主要工作与结论如下： （1）改变初始压力与混合气体中氩气稀释浓度，实验研究了无扰动下爆轰波传播变化规律。结果表明：随着初始压力的降低，爆轰波出现稳态式、快速波动式以及失效式三种传播模式。爆轰波胞格尺寸随初始压力升高而逐渐降低。非稳态气体胞格结构不规整，三波点连线非直线；稳态气体胞格结构规整，三波点成直线。 （2）实验研究了以聚丙烯薄膜作为柔性障碍物对爆轰波传播特性影响规律。单位置加膜条件下，爆轰波穿过柔性障碍物后最低点速度随层数增加出现两种不同传播模式：速度亏损与爆轰失效。随薄膜层数增加，前导激波在薄膜上沿反方向激波增强，爆轰波破膜口径逐渐降低，爆轰波的入射波穿过障碍物后无法到达刚性壁面，无法快速形成马赫反应，所以导致爆轰波失效。 （3）爆轰波穿过柔性障碍物时有两种方式，（a）当障碍物的最大静态压力远小于此初始条件下产生的物理超压时，爆轰波穿过障碍物时是由于前导冲击波的压力冲击作用产生破口导致的。（b）当障碍物的最大静态压力稍大于此初始条件下产生的物理超压力时，爆轰波刚到达障碍物前端时会停留，在高温高压条件下迫使薄膜材料性能发生改变而破裂。 （4）实验完成了爆轰波穿过不同长度惰性气体段后再次进入含不同氩气稀释可燃气体中传播规律。结果表明：爆轰波在整个传播过程中共经历减速段1st、减速段2nd、减速段3rd、加速段、过驱爆轰段、稳态段6个阶段。当穿过长度为800 mm CO2以及C3F7H惰性气体段后，再次进入可燃气体能瞬间形成爆轰波。当惰性气体的距离增加至1200 mm时，穿过CO2惰性气体后依然形成爆轰波，只是爆燃转爆轰的距离增加；而穿过C3F7H惰性气体后无法在有限的距离内再次形成爆轰波，说明C3F7H对于爆轰传播的抑制效果明显。 （5）实验结果结合理论分析获得了爆轰波穿越惰性气体团进入可燃混合气体的激波退化机制。当爆轰波穿过柔性障碍物进入惰性气体段内，放出高热量的化学反应将终止，爆轰波在气体交界面发生透射而退化为运动激波，放热反应中止是透射激波衰减的主要原因。CO2对于火焰传播的抑制作用主要为降温与稀释过程；七氟丙烷对于火焰的抑制作用主要有七氟丙烷受热分解、活性自由基降温冷却、惰性自由基与活性自由基结合过程。

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