连续三角形障碍物通道中火焰加速与爆燃向爆轰转变：阻塞比的影响

　　中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室肖华华教授团队发布文章，以“Flame Acceleration and DDT in a Channel with Continuous Triangular Obstacles: Effect of Blockage Ratio”为题发表在“Combustion Science and Technology”期刊上。

　　研究背景

　　通道内的火焰加速引起的爆燃向爆轰转变(Deflagration-to-Detonation Transition, DDT)是一个复杂的物理过程，它涉及到从弱点火引发的亚声速火焰加速，到高速爆燃，最终转变为爆轰。这一现象在基础科学研究和实际应用中，尤其是在爆炸安全和基于爆轰的推进技术方面，都非常重要。

　　火焰加速和DDT过程包含多种物理因素，包括边界层、火焰不稳定性、激波-火焰相互作用和湍流。尽管这些过程具有非线性和随机性，但其潜在机制尚未完全被理解。

　　障碍物充填的通道内的DDT过程受到了研究者的关注，因为障碍物可以增强火焰加速，并且便于控制实验条件进行研究。障碍物有助于产生涡旋、改变火焰形状和生成湍流，而激波-火焰相互作用则在火焰加速过程中起到关键作用，通过增加火焰表面积和能量释放率来促进这一过程。当可燃混合物足够敏感时，可以通过激波聚焦和热点点火等机制引发爆轰。

　　研究者重点关注了阻塞比(通道中两侧三角形障碍物的高度与通道高度之比)对DDT过程的影响。

　　实验装置及方法

图1 (a) 高速纹影摄影系统和(b)OH*化学发光记录系统示意图。

　　实验在长度为300毫米，截面积为20毫米×20毫米的通道中进行。在通道的上下壁上连续安装了等腰三角形障碍物，障碍物的宽度为5.8毫米，长度横跨整个通道。障碍物高度与通道高度的比值定义为阻塞比br，用于量化障碍物对火焰传播和DDT过程的影响。

　　使用了高速纹影摄影系统(图1a)和OH*化学发光记录系统(图1b，高速摄像机前安装EyeiTS-D-HQB(中智科仪)像增强器及100mm UV镜头，镜头前放置310nm ± 2nm硬质带通滤光片，镜头视场宽度157mm)拍摄火焰加速和DDT过程。

　　实验在化学当量的氢氧混合物中进行，初始压力为0.1 MPa，温度为298 K。使用大约10 mJ的能量通过火花间隙点火。压电式传感器测量通道压力。高速摄像机、火花点火器和压力记录器由一个同步控制器触发。

　　分别测试了阻塞比为0、0.1、0.3、0.5、0.7时的DDT过程。特别的，阻塞比br = 0时，通道长度为630mm。为了确保实验结果的可靠性，对每个阻塞比条件进行了至少四次重复实验，结果显示反应前沿轨迹具有一致性，DDT距离和反应前沿速度的变化在可接受范围内。

　　实验结果

　　图2 不同阻塞比(br)情况下，火焰加速和DDT过程中的纹影图像和相应的OH*化学发光图像。这些图像是在反应前沿达到相似位置时拍摄的，左上角给出了微秒级的时间。

　　通过高速纹影摄影和OH*化学发光技术，研究者记录了火焰在不同br值下的动态行为。这些图像捕捉了火焰从点燃到加速，再到可能的DDT的整个过程。在中等和较高阻塞比(br = 0.3, 0.5)下，火焰与障碍物的相互作用导致了复杂的激波反射和局部爆炸，这些局部爆炸有助于形成DDT。在高阻塞比(br = 0.7)下，燃烧状态表现出复杂的火焰-震波相互作用，出现了窒息现象，火焰速度处于震荡状态，并且能量损失导致压力峰值下降，未能形成爆轰。在低阻塞比(br = 0.1)下，火焰加速较慢，形成了较长的预压缩区域，其中火焰与障碍物的相互作用导致了边界层内的快速反应前沿，最终也导致了DDT。

　　总结

　　火焰加速受到阻塞比的显著影响，主要由障碍物间隙中延迟燃烧产生的强射流驱动。特殊形状的三角形障碍物和它们的连续排列促进了涡旋运动，增强了火焰-涡旋相互作用，从而加速了火焰传播。

　　DDT过程同样受到阻塞比的显著影响。在中等和较高阻塞比下，激波-火焰相互作用导致火焰扭曲和湍流燃烧，为多次局部爆炸提供了条件。而在高阻塞比下，由于障碍物的严重衍射效应，火焰无法形成爆轰，而是进入了一种窒息状态。随着阻塞比的减小，DDT的机制发生变化。在低阻塞比情况下，由于激波较弱，障碍物间隙中没有发生局部爆炸。相反，火焰加速是由边界层内的粘性加热和激波压缩共同作用的结果。实验观察到，在低阻塞比下，可以形成快速移动的反应前沿，这些前沿由于与激波的相互作用而迅速加速，最终导致了DDT。

　　论文链接：

　　DOI：10.1080/00102202.2022.2120767

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