在77-300 K的温度范围内，氢氧混合物中的爆轰过程及混合物结构表现出不稳定性

《Combustion and Flame》：Unstable detonation and cell structure in hydrogen-oxygen mixtures at temperatures of 77-300 K

　　沈晓博|傅文菊|肖俊杰|刘海峰|吴建芬
华东理工大学资源与环境工程学院，中国上海200237

摘要
研究了在不同初始温度（77–300 K）、初始压力（0.2–2.0 atm）和当量比（1.0–2.6）下氢氧混合物的爆轰行为。火焰传播轨迹和超压曲线分别通过光纤和PCB压力传感器记录下来，并讨论了爆轰模式、火焰加速机制、速度亏损以及爆轰单元结构的物理规律。首先，实验观察到了三种爆轰模式：跳跃模式、卡顿模式和稳定爆轰模式。其中，低温条件（如77 K）显著促进了跳跃模式的发生，表明接近极限混合物的爆轰不稳定性增强。其次，火焰加速（FA）是影响爆轰转变的关键因素。强烈的火焰加速会导致超音速火焰甚至爆轰的产生，而弱火焰加速则产生亚音速慢火焰；临界条件可以通过加速因子模型定量定义。在低温下，较大的膨胀比和温度梯度增强了火焰加速。第三，热量损失效应在低温下尤为明显，导致爆轰速度亏损显著增加。Fay模型在未考虑热量损失的情况下对常温下的预测较为准确，但在低温下偏差较大，突显了能量损失的重要性。此外，爆轰单元宽度（λ）受初始条件调控：当初始压力较高、温度较低或当量比接近1.0时，单元宽度减小，其变化与爆轰速度有很强的相关性。预测模型与实验结果一致，证实了诱导区长度与爆轰单元宽度之间的关联。最后，通过冯·诺伊曼状态比热比（γVN）和无量纲有效活化能（εi）可以表征单元结构的规整性。当εi较高或γVN较低时，单元结构的不规则性增强。

引言
低温液态氢（LH2）具有较大的能量密度和较小的体积，使其更易于运输和储存。LH2的极低温度（20 K）带来了特定的危险和风险，这些风险与相对为人熟知的气态氢（H2）不同。处理这些特定问题给相关方带来了新的挑战。意外释放的LH2体积会膨胀超过800倍，形成巨大的蒸汽云，其点燃可能导致火灾和/或湍流传播，并有可能发展为爆轰。
关于低温条件下H2的火焰加速（FA）和爆轰传播（-DDT）过程，目前已发表的信息相对较少。Kuznetsov等人[1]研究了90–130 K低温下H2-空气混合物的火焰状态和爆轰现象，发现存在一个控制不同火焰状态的临界膨胀比（σ），并且低温可以缩短爆轰的预燃距离。我们之前的研究[2]探讨了77 K低温下H2-氧气（O2）混合物的火焰加速现象，发现极高的膨胀比导致强烈的火焰加速。结果还揭示了第一冲击波和第二冲击波的存在。Yang和Chen[3]通过模拟包含详细化学过程的二维和三维H2-空气火焰，研究了低温对DDT前火焰加速阶段的影响，发现低温导致更大的膨胀比和更高的压力升高，从而增强了FA阶段的Darrieus-Landau不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性，促进了火焰的快速传播。Ghosh等人[4]在200 K的低温下测量了最低点火能量，并发现低温降低了最低点火能量。然而，关于低温条件下的DDT过程和爆轰单元尺寸的信息在公开文献中很少。
基于我们之前的研究[2]，本实验旨在探讨低温条件下H2O2的第一和第二冲击波的演变、不同的火焰传播模式、爆轰单元尺寸及其规整性。同时还将研究温度对爆轰速度亏损的影响。为了获得低温条件下的实验结果，使用实际气体方程代替理想气体方程来计算相关参数（例如，热力学参数、C-J爆轰参数和冲击管模拟）。更多细节请参见后续章节。

实验
实验装置的示意图如图1所示。火焰传播由17根光纤（OF1-OF17）测量，这些光纤以5 cm的间隔安装在管壁上，2个PCB压力传感器（PS1和PS2）用于记录管壁中间和末端的超压变化。17根光纤的分布以及管壁上的点火电极如图2所示。

分析方法
ZND爆轰模型是一维稳态模型，可以使用SDToolBox[6]进行计算。SDToolBox基于Cantera-MATLAB[7]。本研究采用了Shen等人[8]开发的HP-Mech。由于研究对象是低温氢，因此需要使用Peng-Robinson（PR）实际气体状态方程[9]。对于热力学参数，其中包含的组分的NASA7系数已更新为NASA9多项式。

爆轰模式
图3显示了爆轰和燃烧模式的光纤及超压信号。在图3(a)中，PS1测量的超压轨迹的初始阶段存在一个小的长“台阶”，而PS2记录的轨迹中没有出现这个台阶。Cheng等人[12,13]的研究中也发现了这个小的长“台阶”，并将其定义为第一冲击波和第二冲击波之间的延迟。这些离散的冲击波也在实验中被捕捉到。

结论
涉及低温条件下H2O2混合物的实验观察到了跳跃模式、卡顿模式和稳定爆轰模式。对实验测量的爆轰速度亏损和单元结构的分析得出以下结论：
(1) 低温条件下的相对较大热量损失可能导致更高的速度亏损。
(2) 弱火焰加速会导致亚音速慢火焰，而强烈的火焰加速会促进超音速火焰的产生。

作者贡献声明
沈晓博：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论设计、研究实施、概念化。
傅文菊：原始草稿撰写、研究实施。
肖俊杰：原始草稿撰写、研究实施。
刘海峰：方法论设计、研究实施。
吴建芬：监督工作、研究实施、概念化。
安峰：监督工作、研究实施、概念化。