燃烧和爆炸理论：爆轰传播的稳定性

Zeldovich 等早期的研究表明，边界条件对爆轰波能否在管道中持续传播具有极大的影响，边界条件中最重要的因素之一是管道的直径。Mitrofanov 等首先研究了管道临界直径与爆轰胞格宽度的关系。Jones等给出了爆轰波由矩形管道进入自由空间的绕射后再点火行为，并详细地研究了爆轰阵面横波数对绕射后再点火机理。Lee 等表明爆轰阵面的横波结构对其进入扩容绕射后的再点火行为起着至关重要的作用。他们描述了再点火行为是由于沿着绕射波阵面的三波点不断相互碰撞而产生的。Edwards 等研究了爆轰临界直径与胞格尺寸之间的关系，通过重复Mitrofanov 等的试验，验证了其得出的dc=13λ 结论，并提出该关系式适用于其他可燃气体。Murray 等关于二次起爆研究工作中，发现二次爆轰发生在膨胀波阵面的某处。Kryuchkov 等通过二维数值模拟对爆轰波突然由圆管进入自由空间的传播过程进行了研究，找到了再点火发生的临界直径，如果管道直径大于临界直径时，可以形成再点火，否则，爆轰再点火失败。徐胜利等通过试验研究了分叉管中激波反射诱导气相爆轰二次起爆的现象。结果表明与化学反应区分离的诱导激波在垂直支管右壁面反射，反射激波在诱导激波压缩后未燃气体中传播，使得波后压力和温度进一步升高，诱导热点产生和局部爆炸，导致二次起爆。

可燃气体爆轰波本质是不稳定的，不稳定性对爆轰的传播特征提供关键的机理。早在1926年，Campbell 等首先观测到了爆轰阵面不稳定现象。之后，学者关于爆轰的线性稳定性开展了大量理论分析。Fay（1962）首先对爆轰的动力学稳定进行了分析，而后Erpenbeck（1962，1964，1967）对这一问题进行了研究。Fickett（1972）对Erpenbeck 的研究结果进行了总结。最近，Bourlioux 等，Papalexandris 等，He 和Daimon 等讨论了一维爆轰的稳定性，给出了稳定性的影响因素。Oran等，Bourlioux 等，Papalexandris 等，Gamezo 等，Hwang等和Shepherd等对二维爆轰不稳定性进行了深入的研究。

尽管早在1926年爆轰波传播的不稳定性就已经被Campbell 所注意到，但对爆轰波的不稳定性与三维结构的系统研究是在烟迹技术应用和瞬态流场捕捉技术充分发展的20世纪50—60年代，主要工作由White 和Strehlow 等所开展。试验和数值模拟结果一致显示了三维爆轰传播的三种类型，既螺旋模式、矩形模式和角形模式。Campbell等第一次通过试验发现了在小直径管道中的螺旋爆轰现象。他们发现螺纹间距大约是管道直径的3 倍。Lee 等通过烟迹试验观测到方形管道的单头螺旋爆轰，并将管道四个壁面展开，看到了和圆形管道壁面烟熏痕迹一样的特征。Schott 等也报告了爆轰的螺旋模式。Tsuboi 等对圆形管道和矩形管道中的爆轰进行了研究。Tsuboi等采用数值计算模拟了三维爆轰在矩形管道的传播，并将矩形爆轰分为同步和不同步模式两种类型。接着他们研究了圆形管道和矩形管道中的螺旋爆轰，并详细地给出了螺旋爆轰阵面结构特征。Hanana 等通过试验指出在矩形管道至少存在两种类型的爆轰结构，即矩形和角形爆轰结构。对于矩形爆轰结构，垂直于传播方向的正交波在四个壁面上相互独立地移动，这些波是由三波线与壁面或三波线之间的碰撞产生的。壁面上的烟熏痕迹呈现出钻石形的胞格形状，同时，壁面上呈现出“拍波”特征。他们将矩形爆轰分为同步和不同步模式。当一族相互平行的三波线和另一族平行的三波线同时与相对应的壁面正碰，则形成同步矩形爆轰，反之，为不同步矩形爆轰。当三波线沿着对角线方向运动时，由垂直于对角线的三波线构成了爆轰阵面的角形结构，横波的传播方向与壁面的夹角为45°，壁面上的“拍波”消失。Hanana 等能够在试验中形成角形爆轰，证实了角形爆轰的存在。研究结果表明角形爆轰和矩形爆轰相比，角形爆轰为更基本的爆轰形式，爆轰阵面压力高，平均波速大，胞格长度小。

Williams 等采用一步反应模型，对矩形管道中三维爆轰进行数值模拟，观测到了阵面的矩形结构。Deledicque 等也采用一步化学反应模型，通过加入合适的扰动方式，研究了爆轰在三维矩形管道中矩形和角形结构特征。他们指出不同的横向初始扰动可以在矩形管道中形成矩形爆轰和角形爆轰。在横向正弦扰动下，形成不同步矩形爆轰，管道相互垂直的两侧面呈现出不同步的“拍波”；在对角方向的扰动下，爆轰阵面呈现角形结构。Dou 等的近期工作表明螺旋爆轰发生在窄管道中，当管道宽度足够大时，螺旋爆轰消失。然而，所有这些关于螺旋爆轰的工作都没有研究横向尺度对不同过去因子和化学反应参数下的爆轰波传播模式的影响。因此，过驱因子和化学反应参数、管道横向尺度与初始扰动形式等因素对爆轰传播模式的影响规律仍然需要进一步的研究。(www.xing528.com)

最近，姜宗林等研究了斜爆轰的胞格、横波结构以及稳定性的影响因素。研究结果发现，在斜爆轰波面上存在两种小尺度的激波和火焰耦合结构，而且它们的形成和发展过程受到来流马赫数和化学反应放热速度等参数的影响。范宝春等对驻定、旋转爆轰的传播特征以及稳定性进行了详细的研究，发现旋转爆轰具有较好的稳定性，为爆轰推进试验研究提供了有意义的参考。

综上所述，关于不同传播模式下爆轰稳定性的研究取得了一定成果，由于爆轰稳定性依赖于一系列复杂的影响因素，包括起爆方式、临界起爆能、爆轰极限、临界直径、混合气体初始热力学状态以及组分等因素，爆轰传播稳定性机理研究仍然不足。第15 章将详细介绍爆轰传播稳定性的相关问题。