趙煥娟,伯玉蘭,張英華,嚴(yán)屹然
(北京科技大學(xué)資源與工程學(xué)院,北京 100083)
乙炔是工業(yè)上切割板材最常用的氣體之一。乙炔極易燃燒、分解、爆炸,而且破壞力極大,爆炸事故屢屢發(fā)生,而乙炔十分不穩(wěn)定,對它的研究比較少。有學(xué)者為了獲得清晰的胞格,在C2H2-O2中加入Ar[1-2],研究Ar對預(yù)混氣的胞格結(jié)構(gòu)的影響,但大多是定性分析[3],且限于表征壁面胞格[4]。在我國,學(xué)者們在氣相胞格爆轟傳播現(xiàn)象方面進(jìn)行了大量研究[5-6],且大多采用煙膜法進(jìn)行[7],在胞格結(jié)構(gòu)表征爆轟、胞格形成機(jī)理及其量化規(guī)律方面取得了較大進(jìn)展[8-12]。
Shepherd等[13-14]、Lee等[15-16]都嘗試過使用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行定量的不穩(wěn)定度分析,通過數(shù)字圖像處理技術(shù)直接掃描煙膜來獲得端面結(jié)構(gòu)。由于非均勻煙灰沉積物產(chǎn)生的誤差,導(dǎo)致“灰度不均勻”,所以數(shù)字化處理的灰度圖像誤差較大,因此,必須對灰度進(jìn)行處理。Lee等[15-16]、趙煥娟等[17-18]求助于手繪記錄掃描,得到可以進(jìn)行數(shù)字處理的圖片。在進(jìn)行煙膜手繪記錄時,需要加入少量人為主觀性判斷,以消除少量的雜散線和實驗中的誤操作導(dǎo)致的線條。
環(huán)繞在管內(nèi)壁的煙膜上僅記錄了爆轟管壁處的三波點(diǎn)經(jīng)過的路徑,當(dāng)前對爆轟結(jié)構(gòu)的研究大多集中在管壁上螺旋爆轟結(jié)構(gòu)上[19],對其內(nèi)部發(fā)展規(guī)律研究較少。Voitsekhovskii等[20]在螺旋爆轟面單頭、雙頭和四頭螺旋爆轟的橫波運(yùn)動方面做了大量研究。對于更高頻的螺旋爆轟,其橫波運(yùn)動穿過爆轟面的表征方法非常困難,需要實驗結(jié)果的支持,如何清晰地記錄爆轟面的結(jié)構(gòu)是一個關(guān)鍵問題[21]。
本文中,使用在管道末段設(shè)置煙熏玻璃的方法,記錄C2H2+2.5O2+70%Ar和C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣高頻螺旋爆轟端面結(jié)構(gòu),通過自編程序?qū)Χ嗣嬗涗泩D像進(jìn)行數(shù)字化處理,分析表征高頻螺旋爆轟端面胞格結(jié)構(gòu)。
實驗裝置主要包括4個部分,分別是爆轟管道系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和充配氣系統(tǒng),如圖1所示。
爆轟管道系統(tǒng)由驅(qū)動段和測試段組成。驅(qū)動段為長1 000 mm、內(nèi)徑63.5 mm、壁厚10 mm的鋼管,測試段為聚碳酸酯透明管。在驅(qū)動段左側(cè)法蘭端面處安裝點(diǎn)火塞,并在靠近點(diǎn)火塞位置布置Shchelkin螺旋增爆器,用來加速爆轟的形成過程,從而在驅(qū)動段內(nèi)形成穩(wěn)態(tài)爆轟。
將測試主體管兩端密封,檢查測試主體管的密封性,將測試段的一端通過法蘭密封,在測試段的另一端安裝開槽法蘭,將煙熏玻璃(厚4~6 mm)置于法蘭末端,保證放置過程中煙熏玻璃無旋轉(zhuǎn)。
制備化學(xué)當(dāng)量比為C2H2+2.5O2+70%Ar和C2H2+2.5O2+85%Ar的預(yù)混氣,所有的爆炸性氣體都已預(yù)先在高壓瓶由分壓的方法制備,通過控制面板將不同氣體分別安全輸入到充配氣系統(tǒng)的預(yù)混氣高壓瓶中,充罐后預(yù)混氣放置24 h以上,以確保罐內(nèi)不同氣體均勻混合。
將測試段抽真空,前后分別充入引爆氣C2H2-O2及實驗氣體C2H2+2.5O2+70%Ar和C2H2+2.5O2+85%Ar點(diǎn)火,爆轟結(jié)束后將管內(nèi)抽真空,平穩(wěn)緩慢放入大氣,以保證不在煙熏玻璃上形成沖刷痕跡。打開測試段末端法蘭,取出煙熏玻璃后進(jìn)行掃描。
圖1 直徑63.5 mm爆轟管道的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of detonation tube with diameter of 63.5 mm
在初始壓力高于5 kPa時,獲得自持爆轟傳播。為了能夠容易區(qū)分螺旋頭的個數(shù),對于70%Ar的預(yù)混氣,通過壓力傳感器把初始壓力分別定為5.32、5.74、7.45、10.57 kPa,得到的端面煙膜圖如圖2所示。
圖2 C2H2+2.5O2+70%Ar預(yù)混氣的煙膜記錄Fig.2 Smoked foils records of premixed C2H2+2.5O2+70%Ar
對于含85%Ar預(yù)混氣,通過壓力傳感器把初始壓力分別定為3.65、14、15.57、16.23 kPa,得到的端面煙膜圖如圖3所示。
圖3 C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣的煙膜記錄Fig.3 Smoked foils records of premixed C2H2+2.5O2+85%Ar
為了獲得清晰的端面結(jié)果,取C2H2+2.5O2+70%Ar預(yù)混氣初始壓力分別為5.32、5.74、7.45、10.57 kPa的端面煙膜圖(見圖2),使用圖像處理軟件Photoshop,通過調(diào)整色差和對比度,利用鋼筆工具進(jìn)行描點(diǎn),然后描邊軌跡,填充橢圓工具選擇出來的圓,畫出三波軌跡,如圖4所示。陰影為管道內(nèi)徑范圍,直徑為63.5 mm,下同。
取C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣初始壓力分別為3.65、14.00、15.57、16.23 kPa的端面煙膜圖(見圖3),處理的三波軌跡如圖5所示。
由圖4~5可知,隨著壓力的增大,端面結(jié)構(gòu)都變得更加復(fù)雜,得到的封閉圖形的尺寸也都在變小。胞格尺寸代表波中能量的大小,爆轟的傳播有波峰面燃燒的熱量和爆轟波的能量,因為爆轟初始壓力的增大,分子初始獲得的能量多,更多活化分子參與反應(yīng),提高分子間反應(yīng)速率,可以形成更多胞格,表現(xiàn)在胞格尺寸就是變小。
但是,可以發(fā)現(xiàn)兩種預(yù)混氣的胞格規(guī)則程度不同,需要定量分析。這是因為隨著Ar濃度越高,對C2H2稀釋越強(qiáng),爆轟得到穩(wěn)定的多頭爆轟需要的壓力更大,所以85%Ar的預(yù)混氣形成單頭爆轟的壓力更高。由于單頭爆轟、雙頭爆轟及四頭爆轟所給出的胞格數(shù)量太少,不具有參考性,所以主要研究多頭爆轟隨氣體濃度及初始壓力的關(guān)系。
圖4 C2H2+2.5O2+70%Ar預(yù)混氣的端面示意圖Fig.4 End-on result of premixed C2H2+2.5O2+70%Ar
圖5 C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣的端面示意圖Fig.5 End-on result of premixed C2H2+2.5O2+85%Ar
為了說明多頭爆轟端面結(jié)構(gòu)與氣體濃度和氣體初始壓力的關(guān)系,將端面結(jié)構(gòu)中每個封閉的圖形進(jìn)行圓的擬合,得到對應(yīng)封閉圖形的圓心及半徑。常見的圓曲線的擬合方法主要有平均值法、加權(quán)平均法及最小二乘法。平均值法與加權(quán)平均法雖然計算過程簡單、難度較低,但是二者都只能作到在一定程度上的近似,在離散點(diǎn)分布均勻或者精度要求不高的情況下可以使用;而最小二乘法理論嚴(yán)密、精度最高,擬合效果最佳,是目前圓曲線擬合的主要方法,本文中采用最小二乘法進(jìn)行圓的擬合。通過MATLAB軟件,編制圖像識別程序,得到每個圓心的極坐標(biāo)。相鄰圓的兩個圓心的距離為圓心距,對圓的半徑和圓心距進(jìn)行數(shù)字化處理,得到半徑和圓心距的方差。通過半徑和圓心距的方差,可以判斷出胞格大小的離散程度和胞格分布的離散程度,從而判斷出爆轟端面結(jié)構(gòu)的規(guī)則程度。
根據(jù)爆轟端面實驗結(jié)果,給出了幾種標(biāo)準(zhǔn)圖形,如圖6所示。根據(jù)繪制的端面結(jié)果示意圖,用MATLAB程序進(jìn)行圖像識別并數(shù)字化處理,得到相應(yīng)的胞格半徑方差、相鄰胞格圓心距方差及胞格數(shù),見表1。
由表1可知,隨著胞格數(shù)的增大,胞格半徑方差減小,相鄰胞格圓心距方差減小,端面胞格尺寸更均勻且分布更規(guī)則。程序識別得到的結(jié)果和圖片結(jié)果相符,說明該程序可靠。
圖6 預(yù)混氣端面處理結(jié)果示意圖Fig.6 Schematic diagram of end-on results of premixed gas
壓力狀況V(r)/mmV(l)/mmn(a)4.032 65.944 034(b)3.140 55.091 739(c)1.107 02.098 077(d)0.255 10.561 7119
2.2.1胞格半徑
以胞格半徑尺寸為橫坐標(biāo),以胞格數(shù)量為縱坐標(biāo),得到相應(yīng)的直方圖如圖7所示。比較胞格數(shù)的變化及胞格半徑的分布情況,可以判斷出出胞格大小的集中程度。
圖7 C2H2+2.5O2+70%Ar預(yù)混氣爆轟端面結(jié)構(gòu)半徑等間距直方圖Fig.7 Histograms with same radius distance
從直方圖可以看出,隨著壓力的增大,半徑大小逐漸變小且更加集中,從縱坐標(biāo)可以看出胞格的個數(shù)逐漸增多,說明隨著壓力的增大,端面結(jié)構(gòu)胞格大小趨于穩(wěn)定,最后穩(wěn)定在1.5~3.0 mm之間。
圖8 C2H2+2.5O2+70%Ar預(yù)混氣爆轟 端面結(jié)構(gòu)圓心距等間距直方圖Fig.8 Histograms with same center distance
方差作為隨機(jī)變量偏離程度的參考量,可以用來量化胞格半徑的偏離程度。所以使用統(tǒng)計學(xué)方差公式來計算間距數(shù)據(jù),可得到半徑方差,見表2。
通過方差的小大可以看出來,隨著壓力的增大,方差逐漸變小,且趨于穩(wěn)定。說明壓力越大,半徑的離散度越小,且逐漸趨于穩(wěn)定,與直方圖得出的結(jié)論一致。
2.2.2相鄰胞格中心距離
以相鄰胞格中心距離為橫坐標(biāo),以胞格個數(shù)為縱坐標(biāo),可得到相應(yīng)的直方圖。比較縱坐標(biāo)的變化及圓心距的分布情況,可給出胞格分布的均勻程度。其中,在初始壓力為10.57 kPa下得到的直方圖,如圖8所示。
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可以看出,隨著壓力的增大,圓心距逐漸趨于集中,且個數(shù)逐漸變多,說明隨著壓力的增大,胞格分布趨于穩(wěn)定。得到的不同初始壓力下圓心距方差,見表2。
比較方差的小大,可以發(fā)現(xiàn),方差隨初始壓力的增大逐漸變小。說明壓力越大圓心距的離散度越小,胞格的分布越均勻,與直方圖得出的結(jié)論一致。
表2 C2H2+2.5O2+70%Ar在不同壓力下 的半徑方差和圓心距方差Table 2 Radius variance, center distance variance of C2H2 +2.5O2+70% Ar under different pressures
表3 C2H2+2.5O2+85%Ar在不同壓力下 的半徑方差和圓心距方差Table 3 Radius variance, center distance variance of C2H2 +2.5O2+85% Ar under different pressures
2.3.1胞格半徑
同樣,以胞格半徑為橫坐標(biāo),以相應(yīng)胞格個數(shù)為縱坐標(biāo),得到相應(yīng)的直方圖。比較縱坐標(biāo)的變化及半徑的分布情況,給出胞格大小的集中程度。其中,在初始壓力為16.23 kPa下得到的直方圖,如圖9所示。
由直方圖可以看出,隨著壓力的增大,半徑越來越小,且圓的個數(shù)越來越多。說明隨著壓力的增大,胞格大小更加穩(wěn)定,胞格半徑集中在2~5 mm。同樣,可以得到半徑的方差,見表3。
通過方差的小大變化,可以看出,隨著壓力的增大,方差逐漸變小。說明壓力越大,半徑的離散度越小,胞格大小更加穩(wěn)定,與直方圖得出的結(jié)論一致。
2.3.2相鄰胞格中心距離
同樣,相鄰胞格中心的距離為橫坐標(biāo),以相應(yīng)的胞格個數(shù)為縱坐標(biāo),得到相應(yīng)的直方圖。比較縱坐標(biāo)的變化及相鄰胞格中心距離的分布情況,給出胞格分布的均勻程度。其中,在初始壓力為16.23 kPa下得到的直方圖,如圖10所示。
從直方圖可以發(fā)現(xiàn),隨著壓力的增大,圓心距逐漸趨于集中,且個數(shù)逐漸變多。說明隨著壓力的增大,胞格分布趨于穩(wěn)定。同樣,可以得到圓心距的方差,見表3。
圖9 C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣爆轟端面結(jié)構(gòu) 半徑等間距直方圖Fig.9 Histograms with same radius distance
圖10 C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣爆轟端面結(jié)構(gòu) 圓心距等間距直方圖Fig.10 Histograms with same center distance
通過方差的小大可以看出來,隨著壓力的增大,方差逐漸變小。說明壓力越大圓心距的離散度越小,胞格的分布越均勻,與直方圖得出的結(jié)論一致。
不同預(yù)混氣體的活化能受到初始壓力的影響較大,導(dǎo)致不同初始壓力下形成的端面胞格數(shù)量差別太多,樣本數(shù)量不夠精確,所以壓力較小時得到的胞格數(shù)量樣本不夠。因此,嘗試分析胞格數(shù)近似的不同預(yù)混氣的端面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。將C2H2+2.5O2+70%Ar及C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣在不同初始壓力下形成的端面結(jié)果,通過編程處理得到的胞格數(shù)及半徑方差與圓心距方差進(jìn)行對比分析,如圖11~12所示。
由圖可知,胞格數(shù)相近的C2H2+2.5O2預(yù)混氣,Ar濃度越高,半徑方差及圓心距方差越小。說明胞格的穩(wěn)定性隨著Ar濃度的升高而增強(qiáng)。
圖11 不同濃度預(yù)混氣胞格半徑方差隨胞格數(shù)的變化Fig.11 Variation of radius variance with number of cell for different Ar concentrations
圖12 不同濃度預(yù)混氣相鄰胞格圓心距方差隨胞格數(shù)的變化Fig.12 Variation of center distance variance with number of cell for different Ar concentrations
(1)在內(nèi)徑63.5 mm圓形管道進(jìn)行爆轟實驗,得到不同Ar濃度的乙炔預(yù)混氣在不同初始壓力下形成的端面結(jié)構(gòu)。
(2)使用數(shù)字化圖像技術(shù),處理實驗得到了端面煙膜記錄,獲得不同初始條件下的C2H2+2.5O2+70%Ar和C2H2+2.5O2+85%Ar預(yù)混氣的爆轟端面結(jié)構(gòu)。其中70%Ar預(yù)混氣得到的胞格半徑穩(wěn)定在1.5~3.0 mm,半徑方差在0.331 2~3.169 8 mm,圓心距方差在1.218 9~9.983 9 mm;85%Ar預(yù)混氣得到的胞格半徑穩(wěn)定在2.0~5.0 mm,半徑方差在1.354 0~11.779 9 mm,圓心距方差在4.797 7~26.149 0 mm。并且,隨著壓力的增大,胞格更加穩(wěn)定且更加均勻。
(3)在胞格數(shù)近似的情況下,85%Ar預(yù)混氣得到的半徑方差及圓心距方差比70%Ar的方差小,Ar濃度越高的預(yù)混氣得到的胞格結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。