点火机制以及爆炸驱动的热场和燃料扩散流动规律

《Combustion and Flame》：Ignition mechanism and laws of explosion-driven thermal field and fuel dispersion flow

研究通过数值模拟和实验验证，揭示了燃料空气爆炸（FAE）中预燃爆的临界电荷比（1.5%）及动态演化规律，提出 ignition-in-motion rate-competition 准则解释预燃爆机制，并分析高温场与燃料云耦合作用下的时空演化特性。

　　

任思敏|王中祺|张琦

中国北京工业大学爆炸科学与安全防护国家重点实验室，北京 100081

摘要

作为传统爆炸能量的高级形式，燃料雾与周围氧气发生反应，能够提供高能量密度。在燃料-空气爆炸（FAE）装置中，中心爆轰产生高压和高温：前者驱动燃料快速扩散，而后者可以在扩散过程中点燃正在形成的燃料-空气混合物，导致提前点火并降低有效云能量的利用率。扩散过程中的提前点火涉及强烈耦合的非稳态过程，包括流动、湍流、热量和质量传递、液滴场演变以及化学反应。本研究采用数值模拟结合实验验证，以确定典型爆炸驱动扩散配置中提前点火的关键条件，并阐明其背后的物理化学机制。结果表明，在早期阶段，点火活动主要出现在装置的上端和下端；随后在中期阶段，点火活动向X轴（定义为0°）的±45°方向迁移，这与温度和混合场的演变一致。对于一个2公斤的环氧丙烷FAE装置，当中心装药比为1.0%时不会发生提前点火；而当装药比为2.0%或更高时，则会发生持续的提前点火。中心装药比为1.5%被认为是临界条件，另外还研究了1.25%和1.75%的案例以确定这一边界。这一临界边界可以通过“运动中的点火速率竞争”标准来解释，即 Da = R_A/R_critical≈1；在当前的单步框架内，相关的有效临界反应速率水平约为0.5 kgmol/m³s。本研究结果为在受控环境条件下研究该配置提供了基准。对于2.0%的中心装药比，提前点火发生在云的上缘，此时局部燃料浓度约为300 g/m³，点火点的爆炸驱动温度约为1146 K。

新颖性和重要性声明

重要性：提前点火是限制燃料-空气爆炸（FAE）系统能量效率的关键瓶颈。深入了解这一过程对于优化FAE设计、克服能量释放不完全问题并最大化性能至关重要，为开发更先进的能量系统提供了基础。

新颖性：本研究超越了以往仅限于静态参数的研究，揭示了提前点火的根本原因。它是首次阐明高温场与瞬态燃料云之间的动态多场耦合关系，建立了之前未报道的瞬态点火机制。

引言

燃料-空气爆炸（FAE）是一种强大的能量装置，因其高能量密度和广域爆炸效应而广泛应用于军事、拆除和紧急情况。它们分为两个阶段：首先中心爆炸将液态燃料分散成与周围空气反应的云状物，然后由二次爆轰爆炸引发强大的爆轰。最终的能量输出与分散过程、燃料流动动力学以及形成的云浓度密切相关。

这一过程中的一个关键挑战是提前点火，即中心装药产生的高温在燃料充分分散之前就点燃了燃料。这种提前燃烧会阻碍燃料能量的充分利用，显著降低效率并带来安全隐患。因此，有效避免提前点火是控制装置能量输出的关键。该现象涉及爆炸驱动的热场、瞬态燃料流动以及云的爆炸极限之间的高度非线性相互作用。

虽然已有成熟的方法用于单独研究热场，但其与云分散过程的耦合仍然是一个未解决的问题。当前的宏观尺度实验主要能够捕捉云的外部形态，但无法探测内部特征，如局部浓度和湍流。因此，数值模拟是揭示这些内部动力学和实验无法直接捕捉的物理化学机制的不可或缺的工具。

因此，深入研究热场与燃料云之间的时空耦合是优化FAE设计的理论基础。这项研究对于提高能量效率和功率至关重要，为设计特殊能源提供了理论支持，并为燃料库等关键基础设施的安全策略提供了科学指导。

近年来，学者们在燃烧和爆轰领域取得了显著进展，重点关注燃料的易燃性、雾化特性和燃烧稳定性。

从宏观角度来看，围绕“初始动量-几何膨胀-浓度区形成”过程，已经建立了对燃料云动力学的全面理解。点火引起的破碎和凝胶燃料滴的二次雾化改变了滴尺寸分布并重塑了局部可燃体积分数[1]。循环流化床中的横向迁移显示了壁面效应和涡流结构如何调节浓度峰值和分布[2]。装药几何形状和非轴对称分散显著改变了高浓度区的形态和规模，影响爆轰判据和危险范围[[3], [4], [5]]。在有风条件下，云会向下风方向伸展，表现为“峰值降低但可到达区域扩大”[6,7]。包含“分散-膨胀-蒸发/热传递-浓度演变”过程的模型支持危险评估和实验分析[8,9]，而分散流与中心热场之间的反馈是燃烧/爆轰风险的关键耦合链接[10]。

从微观角度来看，滴尺度过程（破碎、蒸发、加热、热解）决定了能量释放的时空同步性。在高激发下，“初次破碎-再聚集-二次破碎-快速蒸发”的链式过程决定了滴的寿命和Sauter平均直径（SMD）的演变[11,12]。单滴实验揭示了燃料特定的寿命差异和热/质量传递耦合[13]，而重油的瞬态模型确定了内部扩散极限和多阶段挥发[14]。配方工程通过使用纳米添加剂[15,16]或离子液体[17]修改了临界韦伯数等性质，以优化雾化和点火。高能凝胶和多相系统通过微爆炸产生细雾来增强反应性[7,18]。一个关键共识是将微观寿命统计映射到宏观指标（可燃体积、最小点火能量）以实现宏观-微观耦合。

从反应-声学-流动耦合的角度来看，喷雾介质的行为可以归纳为一个标准链：可用滴数/当量比-热释放延迟-声学/压力反馈。点火受滴蒸发和局部当量比的控制，决定了核的形成和早期火焰传播[18]，单滴缩放提供了微观到宏观的基准[19]。传播受到滴尺寸分布和分散的影响，这些因素改变了火焰面积和燃烧速率，进而影响等效速度和不稳定敏感性[20]。在不稳定性期间，内在的热声反馈需要火焰传递函数（FTF）和火焰描述函数（FDF）来统一“时间延迟-增益-相位”并解释模式选择[[21], [22], [23]]；喷雾-壁面相互作用改变了对流延迟和临界边界[24]。在强压缩条件下，系统可能经历火焰加速和爆燃到爆轰的转变（DDT），催化表面可以重塑阈值[25]，尽管在非线性、自激发条件下应用FDF需要谨慎[26]。

尽管在该领域进行了大量研究，但关于燃料云对中心爆炸引发的早期响应仍存在知识空白，特别是燃料-空气爆炸（FAE）中的提前点火现象。中心装药的质量比是一个关键参数，它控制了初始能量释放和壳层破裂动力学，从而决定了在有利于提前点火的高温高压环境中的后续燃料分散特性。

为了阐明这一机制，本文系统研究了中心装药质量比对燃料分散和提前点火起始的影响。通过分析在不同装药比下云形成过程中流场、物种浓度和热力学状态的演变，本研究旨在揭示中心装药如何控制燃料云中提前点火的关键物理机制，如图1所示。

控制方程

本研究中的数值计算使用有限体积法求解二维反应流的Navier-Stokes偏微分方程，基于以下基本守恒定律：

$\frac{?\rho }{?t}+\frac{?\left(\rho u_i\right)}{?x_i}=S_m$ 其中 $\rho$ 是密度，$t$ 是时间，ui 是速度矢量在 $i$ 方向上的分量，xi 是 $i$ 方向的空间坐标，Sm 是源项，在本研究中代表加入连续相的粒子质量。

不同中心装药比下的燃料分散过程中的提前点火

为了研究不同装药质量下燃料分散过程中的提前点火现象，我们分析了中心装药比为1.0%、1.5%、2.0%和3.0%时的燃料分散过程。通过云图检查了不同时间点的物理参数（压力、温度、燃料和蒸汽浓度、产物分布、反应速率），并确定了燃烧行为。不同装药比下的中心装药结构如图12所示。

不同中心装药比下提前点火强度的空间分布和演变规律

为了进一步从空间分布和燃烧强度的角度研究提前点火行为，并实现对燃烧强度和反应严重程度的直观定量分析，我们选择了FAE装置周围各个测量点的峰值温度和反应速率作为研究对象。从振幅响应的角度来看，这有助于清晰评估空间分布特征和演变规律。

结论

本研究通过数值模拟和实验方法系统研究了中心装药驱动下的燃料分散过程，深入分析了燃料云的形成和演变特性，并详细讨论了云中提前点火期间的物理过程和化学反应机制。主要结论如下：

(1)

中心装药比是控制

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任思敏：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，软件应用，方法论，数据分析，概念化。

王中祺：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，研究，数据分析。 张琦：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取，数据分析，概念化。