火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (5): 501-505   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.05.014
0

引用本文  

曾祥敏, 张玉刚, 蒋榕培, 李智鹏, 徐森, 李玉艳, 刘大斌. N2O/C2H4/CO2预混气体火焰传播及爆炸特性的试验研究[J]. 火炸药学报, 2018, 41(5): 501-505. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.05.014
ZENG Xiang-min, ZHANG Yu-gang, JIANG Rong-pei, LI Zhi-peng, XU Sen, LI Yu-yan, LIU Da-bin. Experimental Investigation of Flame Propagation and Explosion Properties of Premixed Gases N2O/C2H4/CO2[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(5): 501-505. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.05.014

基金项目

武器装备探索研究项目(No.7131549)

作者简介

曾祥敏(1993-), 男, 硕士研究生, 从事推进剂安全性研究。E-mail:zengxm_144@163.com

通信作者

徐森(1981-), 男, 博士, 副教授, 从事含能材料安全性研究。E-mail:xusen@njust.edu.cn

文章历史

收稿日期:2018-04-18
修回日期:2018-06-24
N2O/C2H4/CO2预混气体火焰传播及爆炸特性的试验研究
曾祥敏1, 张玉刚2, 蒋榕培3, 李智鹏3, 徐森1,4, 李玉艳1, 刘大斌1     
1. 南京理工大学化工学院, 江苏 南京 210094;
2. 徐州市公安局, 江苏 徐州 221000;
3. 北京航天试验研究所, 北京 100074;
4. 国家民用爆破器材质量监督检验中心, 江苏 南京 210094
摘要: 为了研究N2O/C2H4/CO2预混气体的火焰传播及爆炸特性,采用内含螺旋加速环,长200 cm、内径1.5 cm的有机玻璃管装置,用电阻丝点火的方式进行预混气体的燃烧爆炸试验;利用压力传感器测量爆炸压力和爆轰速度,并利用高速摄影仪测量燃烧时的火焰速度;采用C-J理论计算了预混气体的理论爆速和理论爆压。结果表明,预混气体在燃烧管内快速燃烧,火焰呈对称的Tulip结构,最大火焰速度为2 235.2 m/s;除距离点火10 cm处外,其余7个传感器压力陡然上升,均出现冲击波,其中100 cm处的压力峰值最大为4.66 MPa,冲击波的最大速度为2 247 m/s;C-J理论爆速为2 366.75 m/s,理论爆压为4.26 MPa,最大火焰速度和最大冲击波速度与C-J理论爆轰速度的偏差分别为5.54%和5.06%,试验结果与理论值基本一致。
关键词: 氧化亚氮     燃烧     火焰传播     爆燃转爆轰     爆轰波     N2O/C2H4/CO2     预混气体     N2O基推进剂    
Experimental Investigation of Flame Propagation and Explosion Properties of Premixed Gases N2O/C2H4/CO2
ZENG Xiang-min1, ZHANG Yu-gang2, JIANG Rong-pei3, LI Zhi-peng3, XU Sen1,4, LI Yu-yan1, LIU Da-bin1     
1. School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;
2. Xuzhou Public Security Bureau, Xuzhou Jiangsu 221000, China;
3. Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074, China;
4. National Quality Supervision and Inspection Center for Industrial Explosive Materials, Nanjing 210094, China
Abstract: To study the flame propagation and explosion characteristics of premixed gases N2O/C2H4/CO2, the organic glass tube device with a spiral accelerating ring, length of 200 cm and inner diameter of 1.5cm was used to conduct the combustion and explosion experiments of premixed gases by means of resistance wire ignition. The pressure sensors were used to measure the explosion pressure and detonation velocity and high-speed camera was used to measure the flame speed during combustion. The theoretical detonation velocity and theoretical detonation pressure of premixed gas were calculated by C-J theory. Results show that premixed gas rapidly burns in the combustion tube and the flame has a symmetrical Tulip structure, the maximum flame speed is 2 235.2 m/s. Except at 10cm from ignition, the pressure of other seven sensors increases suddenly and all of them present shock wave, in which, the maximum peak pressure at 100 cm is 4.66 MPa.and the maximum velocity of shock wave is 2 247 m/s. The theoretical detonation velocity of C-J is 2 366.75 m/s and the theoretical detonation pressure is 4.26 MPa, the deviations of the maximum flame speed and maximum shock wave velocity with theoretical detonation velocity of C-J are 5.54% and 5.1%, respectively. The experimental results are basically consistent with the theoretical values.
Keywords: nitrous oxide     combustion     flame propagation     deflagration to detonation:detonation wave     N2O/C2H4/CO2     premixed gas     N2O-based propellant         
引言

氧化亚氮(N2O)因具有安全、无毒、多模块、自增压等优良特性,被视为极具发展潜力的新一代氧化剂[1-2]。但试验发现,N2O易与可燃气体发生爆炸,在特定条件下出现爆燃转爆轰,引发严重事故,限制了其安全使用[3-4]。因此,研究N2O与可燃气体的燃烧和爆炸特性,可对N2O作为氧化剂的安全应用提供参考。

国内外学者已开展N2O与可燃气体燃烧特性的相关研究。如Bane等[5]研究了化学当量比及经氮气稀释的N2O/H2层流燃烧速度和化学动力学机理;Pfahl等[6]测量了经N2、CH4、NH3和空气稀释的H2/N2O混合气体的爆轰胞格宽度、爆轰速度和压力,研究不同稀释气体对H2/N2O爆轰性能的影响;Mével等[7]测量了空气稀释条件下在球形弹体中H2/N2O的火焰速度,并进行了化学动力学模拟;Zhang等[8]系统研究了C2H2/N2O/空气的爆轰动态参数、临界直径和临界点火能量。对N2O与C3H8、C2H4、C2H5OH等混合组成的推进剂国内外已有大量研究,其中N2O与C2H4复合制备的推进剂因具有优良的点火性能和能量性能而备受关注[1-2]。Venkatesh等[4, 9]在内径10 cm、长62 cm的合金钢管中进行了当量比N2O/C2H4预混气体高压燃烧试验,研究初始压力对混合气体爆压、爆速和感应距离的影响,并用火焰加速理论、爆轰理论和爆燃转爆轰机理对试验结果展开讨论;Zhang等[10]在4、14、36 mm的细管中进行当量比N2O/C2H4混合气体燃烧试验,研究了不同管径和不同压力对混合气体燃烧速度的影响,获得了爆轰速度与初始压力、管径之间的关系;Ovileanu等[11]进行了经体积分数60%的N2稀释的N2O/C2H4爆炸试验,研究了混合体系的最大爆炸压力和压力上升速率。N2O基推进剂在国际上已有应用,但自燃和回火问题仍未解决[12-13],而加入惰性气体能有效改善混合体系的燃烧和爆炸性能。

本研究在化学当量比的N2O/C2H4中加入惰性气体CO2,采用高速摄影仪和压力传感器测量N2O/C2H4/CO2预混气体的火焰速度、超压、冲击波速度等,探究N2O/C2H4/CO2火焰传播和爆轰特性,为解决N2O基推进剂的自燃和防回火问题提供参考。

1 试验

为研究推进剂在管道中的燃烧和爆轰行为,加入障碍物以提高反应的进程,试验在带有加速装置的燃烧管中进行。试验系统见图 1,主要由燃烧管、传感器、数字转换器、数据采集器、高速摄影仪和电阻丝等组成。燃烧管为内含加速环,长200 cm、内径1.5 cm的透明有机玻璃管,其中加速环为长30 cm、外径1.5 cm金属丝绕成的螺旋环。点火位于燃烧管紧邻加速环的一端,分别在距点火10、40、60、80、100、120、140和160 cm处安装传感器,根据传感器距离和压力波传播的时间,可以计算冲击波速度。高速摄影仪在距燃烧管5 m处拍摄火焰,根据摄影仪拍摄速度和火焰锋面与点火处的距离(R)可计算出火焰速度。传感器采用PCB高频压力传感器,数据采集仪采用Adlink Technology公司开发的PXI-8565采集器, 该系统共有8个并行通道,每通道频响为1 MHz。高速摄影仪采用日本Photron公司生产的“Fastcam”系列摄影仪,拍摄速度可达20 000 f/s。

图 1 试验系统示意图 Figure 1 Schematic diagram of experimental system

为研究N2O/C2H4/CO2预混气体的爆炸特性又不显著降低其能量,本试验中混合气体N2O、C2H4、CO2质量比为9:1:1,其中N2O和C2H4化学当量比约为1。混合气体采用分压法配制,实验前先将燃烧管抽真空,然后充入混合气体,试验时管内为常压,燃烧管出口端开放无约束。点火采用电压20 V、电流10 A的直流电源,电阻丝通电点燃混合气体,燃烧波传播到第一个传感器(10 cm处)时触发数据采集仪,记录超压及压力波到达各个传感器的时间;点火同时高速摄影仪拍摄火焰。

2 结果与讨论 2.1 火焰传播特征

在0.2、0.4、0.6、0.8、1.2和1.4 ms时N2O/C2H4/CO2预混气体的火焰高速摄影见图 2,拍摄速度为10 000 f/s(间隔时间0.1 ms),照片以出现可见火焰作为0时刻。

图 2 火焰高速摄影照片(10 000 f/s) Figure 2 High speed digital images of flame(10 000 f/s)

图 2可以看出,0.2 ms时火焰居中且较小,呈黄色,纵向宽度且较小;随着反应的进行,火焰扩散到整个横截面,呈亮白色,纵向宽度增大,火焰阵面形成对称的Tulip结构,且火焰充满已燃区域;1.4 ms时火焰锋面到达燃烧管末端,火焰扩散至燃烧管外,并充满已燃区域。

火焰锋面的位移曲线和速度曲线见图 3

图 3 火焰锋面位移曲线和速度曲线 Figure 3 Displacement curve and velocity curve of flame front

图 3(a)可知,火焰锋面到达燃烧环末端的距离先缓慢增加,0.4 ms后快速增加,到达200 cm后减慢。由图 3(b)可知,点火初期火焰速度从120 m/s增加到350 m/s,然后快速增长,0.7 ms时达到最大,略微减小后以相对稳定的速度在燃烧管中传播,1.2 ms后快速减小。火焰在燃烧管中可大致分为点火期、加速期、稳定传播期和衰减期4个阶段:电源接通后预混气体受热被点燃,火焰开始形成,速度慢,为点火期;火焰形成后经过螺旋环,湍流加剧,火焰加速,此阶段为加速期;随后螺旋环加速效果结束,火焰以相对稳定的速度在燃烧环中传播,此阶段为稳定传播期;当火焰传播至燃烧管末端时受到的约束减弱,同时预混气体浓度减小,火焰速度降低,此阶段为衰减期。结合图 3可知,火焰锋面到达燃烧环末端30 cm处的时间为0.541 ms,而在0.541 ms后火焰继续加速,0.7 ms时达到最大速度2 235.2 m/s,然后速度略有减小。说明火焰经过螺旋环后,形成的湍流对火焰仍存在持续的加速作用,0.7 ms持续加速作用结束。

2.2 超压成长特征

图 4为8个传感器的压力曲线。

图 4 距离点火不同位置处的压力曲线 Figure 4 Pressure curves in different positions from ignition

图 4可以看出,10 cm处超压先缓慢上升,再快速上升至最大值,压力变化呈渐变,压力正在成长,传感器压力存在一个持续约0.1 ms的高压状态,说明此处存在具有一定长度的反应区,这是因为预混气体点火后还处于燃烧阶段,燃烧产物正在膨胀,与喻健良等[14]的试验结果一致,结合火焰成长过程,预混气体正在由爆燃转向爆轰。其余7个传感器超压都陡然上升,然后有规律地波动衰减,表明燃烧管中出现了冲击波,爆燃已经转化为爆轰,并在管中传播。传感器压力在衰减过程中出现上升的余波,然后再次逐渐衰减,这是因为超压沿燃烧管向前传播时遇到未反应气体,冲击波发生反射,回传的压力导致余波出现,回传余波的波动程度与首次出现的压力变化相对应,即超压渐变时,回传波也表现为渐变;首次超压突变时,回传波也表现为突变。

2.3 爆轰特性分析

用气体爆炸C-J理论计算预混气体的爆轰参数[15],计算过程如下:

不考虑爆炸产物解离,首先根据试验配方写出预混气体爆轰的反应方程式:

$ \begin{array}{l} 5.73\;{\rm{ }}{{\rm{N}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} + {{\rm{C}}_{\rm{2}}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}} + 0.64\;{\rm{ C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \to 5.73\;{\rm{ }}{{\rm{N}}_{\rm{2}}} + \\ 2.36\;{\rm{ C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} + 0.27\;{\rm{ CO}} + 2\;{\rm{ }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} + 1{\rm{ }}715.56\;{\rm{kJ}} \end{array} $

然后根据爆炸产物的平均热容计算爆温:

$ \begin{array}{l} \sum {c_{{V_i}}} = 242.95 + 350.25 \times {10^{ - 4}}t\\ t = 4\;342.63\left( {\rm{K}} \right)\\ {T_{\rm{d}}} = t + 273 = 4\;615.63\left( {\rm{K}} \right) \end{array} $

式中:t为反应释放的热量使爆炸产物升高的温度;Td为混合气体按爆热计算的爆炸温度,实际爆炸中需要进一步修正:

$ \begin{array}{l} \gamma {\rm{ }} = \frac{{\sum {{c_p}} }}{{\sum {{c_V}} }} = \frac{{\sum {{c_V}} + nR}}{{\sum {{c_V}} }} = 1.218\\ {T_2} = \frac{{2\gamma }}{{\gamma + 1}}{T_{\rm{d}}} = 5\;069.46\left( K \right) \end{array} $

式中:γTd时爆炸产物的绝热常数;T2为修正后的爆温。

根据爆温计算爆速:

$ {v_D} = \frac{{\gamma + 1}}{\gamma }\sqrt {\gamma nR{T_2}} = 2\;366.75\left( {{\rm{m}}/{\rm{s}}} \right) $

根据爆速计算爆压:

$ {p_2} = \frac{{{\rho _0}v_D^2}}{{\gamma + 1}} = 4.26\left( {{\rm{MPa}}} \right) $

式中:ρ0为初始反应物的密度。

经计算,试验条件下N2O/C2H4/CO2预混气体的C-J理论爆速为2 366.75 m/s,理论爆压为4.26 MPa,将理论计算与试验结果进行对比,不同位置峰值压力变化曲线见图 5。距点火10 cm处峰值压力明显低于C-J理论值,这是因为预混气体刚开始反应,火焰还处于爆燃阶段,压力还在成长,未形成冲击波。其余与理论值相差不大,其中100 cm处压力高于理论值,3次试验结果一致,其中最大压力为4.66 MPa。这是因为冲击波在向前传播时,不断压缩和加热未燃气体,预混气体在此处反应时的初始压力高于燃烧管初始压力,而在此处产生过爆,试验结果与Venkatesh等[4]的研究结果一致。

图 5 不同位置峰值压力曲线 Figure 5 Peak pressure value curves at different positions

预混气体火焰速度、冲击波速度、理论速度(DC-J)与点火距离的关系见图 6

图 6 火焰、冲击波和C-J速度与点火距离的关系曲线 Figure 6 Relation curves of flame, shock wave and C-J velocity with ignition distance

图 6可以看出,最大冲击波速度出现在距点火距离140~160 cm之间,为2 247 m/s;除90 cm处速度略小外,冲击波速度稳定并与火焰稳定速度保持一致,燃烧管内形成爆轰,爆轰波以2 000~2 250 m/s向未燃区传播。在距点火距离90 cm外速度减小是因为燃烧环的持续作用消失、湍流减弱等造成冲击波出现波动。火焰燃烧的最大速度和爆轰波最大速度均小于预混气体C-J理论爆速,这是试验中燃烧管的约束等试验条件造成的。最大火焰速度和最大冲击波速度与C-J理论爆轰速度的偏差分别为5.54%和5.1%,试验结果与理论计算结果基本一致。

3 结论

(1) 预混气体在燃烧管内快速燃烧,火焰呈对称的Tulip结构,在燃烧管中可分为点火期、加速期、稳定传播期和衰减期4个阶段。

(2) 预混气体在燃烧管出现了爆燃转爆轰,爆轰波在燃烧管中传播时遇到未燃气体,冲击波发生反射出现回传余波,余波的压力变化与初次出现的压力变化规律一致。稳定爆压与C-J理论爆压相差不大,最大爆轰压力为4.66 MPa。

(3) 最大火焰速度为2 235.2 m/s,最大冲击波速度为2 247 m/s,与C-J理论爆轰速度的偏差分别为5.54%和5.1%,试验结果与理论计算基本一致。


参考文献
[1]
宋长青, 徐万武, 张家奇, 等. 氧化亚氮推进技术研究进展[J]. 火箭推进, 2014, 40(2): 7–15.
SONG Chang-qing, XU Wan-wu, ZHANG Jia-qi, et al. Research progress of nitrous oxide propulsion technology[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2014, 40(2): 7–15. DOI:10.3969/j.issn.1672-9374.2014.02.002
[2]
朱成财, 韩伟, 于忻立, 等. 氧化亚氮基单元复合推进剂技术研究述评[J]. 火箭推进, 2016, 42(2): 79–85.
ZHU Cheng-cai, HAN Wei, YU Xin-li, et al. Review of nitrous-oxide-based composite monopropellants technology[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2016, 42(2): 79–85. DOI:10.3969/j.issn.1672-9374.2016.02.015
[3]
禹天福, 贾月. 一氧化二氮催化分解的研究与应用[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2006, 4(2): 6–10.
YU Tian-fu, JIA Yue. Research and application of nitrous oxide catalytic decomposition[J]. Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2006, 4(2): 6–10. DOI:10.3969/j.issn.1672-2191.2006.02.002
[4]
Venkatesh P B, Entremont J D, Meyer S E, et al. High-pressure combustion and deflagration-to-detonation transition in ethylene/nitrous oxide mixtures[C]//U S National Combustion Meeting. Park City: University of Utah, 2013.
[5]
Bane S P M, Mével R, Coronel S A, et al. Flame burning speeds and combustion characteristics of undiluted and nitrogen-diluted hydrogen-nitrous oxide mixtures[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36(16): 10107–10116. DOI:10.1016/j.ijhydene.2011.04.232
[6]
Pfahl U, Schultz E, Shepherd J E, et al. Detonation cell width measurements for H2-N2O-N2-O2-CH4-NH3 mixtures[R]. Pasadena: Graduate Aeronautical Laboratories of California Institute of Technology, 1998.
[7]
Mével R, Lafosse F, Chaumeix N, et al. Spherical expanding flames in H2-N2O-Ar mixtures:flame speed measurements and kinetic modeling[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(21): 9007–9018. DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.08.054
[8]
Zhang B, Ng H D, Lee J H S. The critical tube diameter and critical energy for direct initiation of detonation in C2H2/N2O/Ar mixtures[J]. Combustion & Flame, 2012, 159(9): 2944–2953.
[9]
Grubelich M C, Venkatesh P B, Graziano T J, et al.Deflagration to detonation transition in nitrous oxide ethylene mixtures and its application to pulsed propulsion systems[C]//55th AIAA Aerospace Sciences Meeting.Grapevine: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2017: 372-381.
[10]
Zhang B, Liu H, Wang C, et al. Detonation velocity behavior and scaling analysis for ethylene-nitrous oxide mixture[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 127(12): 671–678.
[11]
Movileanu C, Razus D, Mitu M, et al. Explosion of C2H4-N2O-N2 in elongated closed vessels[C]//7th European Combustion Meeting.Budapest: ELTE, 2015.
[12]
Werling L, Lauck F, Freudenmann D, et al. Experimental investigation of the flame propagation and flashback behavior of a green propellant consisting of N2O and C2H4[C]//7th European Conference for Aeronautics and Space Sciences.Milan: EUCASS Association, 2017.
[13]
贺芳, 方涛, 李亚裕, 等. 新型绿色液体推进剂研究进展[J]. 火炸药学报, 2006, 29(4): 54–57.
HE Fang, FANG Tao, LI Ya-yu, et al. Development of green liquid propellants[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2006, 29(4): 54–57. DOI:10.3969/j.issn.1007-7812.2006.04.015
[14]
喻健良, 周崇, 刘润杰, 等. 可燃气体爆炸火焰和压力波传播特性的实验研究[J]. 天然气工业, 2004, 24(4): 87–90.
YU Jian-liang, ZHOU Chong, LIU Run-jie, et al. Experimental study on propagating characteristics of flame and pressure waves in explosion of combustible gases[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(4): 87–90. DOI:10.3321/j.issn:1000-0976.2004.04.029
[15]
黄寅生. 炸药理论[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2016: 105-112.