Experiment on interaction of shock and elliptic heavy-gas cylinder by using PLIF
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摘要: 在水平激波管中，采用平面激光诱发荧光(planar laser-induced fluorescence, PLIF)方法对椭圆形重气柱界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性进行实验。气柱由SF6混入一定比例的丙酮蒸气构成，环境气体为空气。通过改变椭圆形气柱的长短轴比值，得到了激波马赫数为1.25时，3种初始界面的演化形态。通过相对体积分数标定，得到了界面失稳演化过程中的相对体积分数分布，观察到了激波作用后界面气体聚集、转移、消散等现象。实验结果发现，对于流向轴长与展向轴长之比较大的气柱界面，初始界面产生的涡量更大且分布更广，其界面不稳定性发展得越迅速和剧烈。失稳发展迅速的界面甚至出现涡对碰撞并产生尾部射流结构的现象。初始界面直接决定了失稳发展初期形成的涡对强度和间距，并对后期演化有重要影响。
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关键词:
- Richtmyer-Meshkov不稳定性 /
- PLIF /
- 体积分数场 /
- 气柱 /
- 激波管
Abstract: An experimental investigation of Richtmyer-Meshkov (R-M) instability in the elliptic heavy gas cylinder was presented in detail. The shock-induced instability was studied in a horizontal shock tube using the planar laser-induced fluorescence (PLIF). The gas cylinder surrounded by air was composed of SF6 and acetone vapor. By adjusting the ratio of the long axis to the short one in the gas cylinder was achieved the evolution of three types of initial interface accelerated by a Mach 1.25 shock. After the calibration, concentration map were obtained. Furthermore, the congregation, transfer and dissipation in the concentration field was revealed. With a larger aspect ratio, the gas cylinder has a wider deposition of baroclinic vorticity, resulting in a faster evolution. When the evolution is rapid, a jet occurs in the trail structure due to the collision of the vortex pair. It was demonstrated that the initial configuration directly determines the strength and spacing distance of the vortex pair at early times, thereby exerting a significant influence on the instability evolution at later times.-
Key words:
- Richtmyer-Meshkov instability /
- PLIF /
- concentration field /
- gas cylinder /
- shock tube
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近年来，对于云雾燃爆的实验研究主要集中在气-液两相混合物的起爆能量[1]、爆燃转爆轰及爆轰波结构[2-7]等方面。云雾燃爆涉及燃料的物化性能、液滴大小、云雾质量浓度、环境等多种影响因素，当前对密闭容器云雾等粒径条件下，不同质量浓度的云雾燃爆性能的研究还较少，尤其是乙醚云雾此方面的研究更少。乙醚自燃温度为160 ℃，闪点为-45 ℃，可在无火焰或火花的热表面环境下点燃。乙醚在气相状态下与空气混合的燃爆极限为(1.9~36.0)%(体积分数)。由于乙醚易于生产、成本低，同时具有高挥发、低闪点等特性，在军事、燃油替代等领域得到了广泛应用。本文中，通过自行研发的20 L二次脉冲气动多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统，对索特平均直径相同、质量浓度不同的乙醚云雾燃爆参数进行实验研究。
1. 实验装置
1.1 概述
多相爆炸测试系统包括：20 L球型爆炸罐体、双喷头二次脉冲气动雾化子系统、100 J无级可调火花放电点火子系统[8]、高速数据采集处理存储子系统[9-10]、时序触发控制中心。如图 1所示，20 L球型爆炸罐体内径为337 mm, 罐体包括一对透明光学检测窗口。时序触发控制中心可同时控制气动雾化、点火、数据采集、全散射粒径测量等子系统按实验要求，不同时间精确触发，精度级别1 ms。全散射粒径测量系统光路通过罐体透明光学检测窗口，并穿过球罐中心；激光发射单元光学波长分别为447、543、638 nm，功率为50 mW。
1a 20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统照片图1a. Photo of 20 L pulse pneumatic spray multiphase explosion test system
1b 20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统示意图1b. Schematic diagram of 20 L pulse pneumatic spray multiphase explosion test system1.2 二次脉冲雾化系统
为实现瞬态大张角雾化效果，自行研制了双喷头二次脉冲气动雾化子系统。其组成包括：空气泵、电磁阀、高压气室、储液室、气液输送管段(内直径为20 mm)、球型腔体喷头(内直径为40mm，前半球表面上布置11圈直径为1.0~1.5 mm的小孔119个)、多孔均布空心小球(小球直径为25 mm; 开孔42个, 孔径为3 mm)。气动雾化喷腔结构如图 2所示。
由于在气液输送管段高速高压瞬态脉动喷射作用下，形成以环状流为主的流型结构，即气相在管道中心形成高速流动的气芯，液相以液膜形式沿管壁周围向前运动，如图 3所示。在喷雾腔室加装均布带孔小球，上述流型进入气液参混扩散区后(喷雾腔室)，一部分气体进入小球形成高压气腔，并由小球前半部分小孔排出产生二次气动；另部分气体沿小球外部形成漩涡，加强气液掺混；最终由多孔小球排出的带压气体推动气液掺混区的液体沿喷头喷出, 形成大张角圆锥体结构的悬浮云雾。
图 3 二次脉冲气动雾化系统示意图Figure 3. Schematic diagram of secondary pulse-pneumatic jet atomization system1.3 粒径测量系统
为实时测量云雾粒径及质量浓度，自行研发了全散射粒径测量系统，并同步使用实时喷雾激光粒度仪HELOS-VARIO进行了实验数据比较测试，结果见表 1，表中n为测量次数。2套系统所测得特征直径D10、D50、D90和索特平均直径D32的误差分别为2.85%、4.65%、1.27%、0.24%。结果证明，研发的全散射粒径测量系统能够满足实验测量要求。
表 1 2种测量系统的测量结果Table 1. Measured results by two measuring systems测量系统 n 测量结果 D10/μm D50/μm D90/μm D32/μm 实时喷雾激光粒度仪 30 最大值 26.50 52.33 78.88 22.45 最小值 22.52 43.63 65.24 18.45 平均值 24.51 47.98 72.06 20.45 全散射粒径测量系统 30 最大值 28.68 55.63 79.89 23.12 最小值 21.74 44.81 66.07 17.88 平均值 25.21 50.22 72.98 20.50 2. 实验过程
实验工况为：初始环境温度, 21 ℃; 喷雾时长, 50 ms; 点火时刻, 100 ms; 点火能量, 40.32 J。首先, 通过调节气动压力和设计喷雾剂量，在实验环境恒定的条件下进行等粒径、不同质量浓度的实验数据收集；然后，通过统计获得一组等粒径、不同质量浓度的实验数据，进行云雾燃爆参数测试实验，即同步触发气动喷雾、高速摄像机及点火系统；最后，记录燃爆超压、温度、点火延迟等实验数据。
3. 结果与分析
3.1 粒径分布与质量浓度
索特平均直径为22.90 μm，由乙醚云雾不同质量浓度ρ数据统计结果(见表 2)可知：(1)在喷雾时长50 ms作用下，400~800 kPa不同气动压力pp雾化过程完成后100 ms，罐体内部压力pv仅上升2~4 kPa, 满足后期常压燃爆实验环境要求；(2)由实验测量发现，喷雾损耗剂量ml不可忽视，其占设计喷雾剂量md的15%~25%；(3)索特平均直径22.90 μm为不同质量浓度下实测粒径D32的平均值，其偏差小于5%。
表 2 乙醚云雾质量浓度和粒径实验数据Table 2. Experimental data of particle size and mass concentration of diethyl ether mistpp/MPa pv/MPa md/(g·m-3) ml/(g·m-3) 平均值 D32/μm ρ/(g·m-3) 0.80 0.104 713.40 142.68 23.16 570.72 0.75 0.104 642.06 96.31 23.30 545.75 0.70 0.103 570.72 114.14 22.07 456.58 0.60 0.103 535.05 117.71 22.10 417.34 0.50 0.103 499.38 124.85 21.73 374.54 0.50 0.103 428.04 107.01 23.72 321.03 0.50 0.103 356.70 78.47 21.52 278.23 0.50 0.103 285.36 57.07 23.35 228.29 0.50 0.103 214.02 53.51 22.90 160.52 0.45 0.102 142.68 35.67 24.04 107.01 0.45 0.102 107.01 26.75 23.55 80.26 0.40 0.102 71.34 14.27 23.36 57.07 3.2 燃爆参数
在点火能为40.32 J、乙醚云雾索特平均直径为22.90 μm的条件下，由图 4可知，乙醚云雾燃爆极限范围为80.26~417.34 g/m3。
图 4 不同质量浓度的乙醚云雾燃爆超压、温度变化趋势Figure 4. Peak overpressure and temperature of diethyl ether mist with different mass concentrations乙醚气相燃爆极限浓度范围在1.9%~36%(体积分数)[11]。在本实验研究中，按标准状态气相换算云雾体积浓度为2.42%~12.60%(体积分数)。可见实验获得的云雾燃爆下限80.26 g/m3(2.42%)比文献中乙醚纯气相燃爆下限1.9%高；同时，云雾燃爆上限417.34 g/m3(12.60%)比文献中乙醚气相燃爆上限36%低，因此可以得出:(1)在乙醚云雾索特平均直径为22.90 μm的条件下，云雾浓度对乙醚云雾燃爆上、下限有较大影响；(2)燃爆上限的下降是由于随云雾液滴浓度的增大，液滴群吸热汽化并燃烧所需的能量逐渐增加，发生了淬火现象所致。
乙醚气相与空气混合(乙醚当量体积分数Cst≈3.39%)化学反应方程如下：
C2H5OC2H5+6(O2+7921N2)=4H2O+5CO2+6×7921N2 理论上，上述方程说明乙醚气相与空气混合燃爆超压峰值p的最大值应出现在乙醚当量体积分数为3.99%[12-13]的位置。而实验获得最大超压出现在乙醚云雾质量浓度为278.23 g/m3(6.89%(体积分数))时，这说明由于云雾液相颗粒群主要以扩散燃烧模式并促使了对应于最大燃爆超压的乙醚云雾质量浓度推迟来临。
气相可燃物与空气混合燃爆超压和温度θ变化趋势同步[14], 但在本实验中，最大火焰扩散温度出现在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时；而最大燃爆超压出现在乙醚云雾质量浓度为278.23g/m3时；这表明乙醚云雾液相颗粒群蒸发扩散燃烧过程对温度、压力同步发生了影响，即最大燃爆温度对应的乙醚云雾质量浓度低于最大燃爆超压对应的乙醚云雾质量浓度。
3.3 点火延迟时间
对于云雾场燃爆通常由点火时刻到火焰传播发生，存在不同的点火延迟时间ti, d，如图 5所示云雾点火超压过程示意图。这是由于:(1)放电火花点火过程发生的放热过程及液滴群吸热过程存在一定的时间；(2)不同物化性能的云雾也是影响点火延迟时间的重要因素；(3)对于不同浓度的云雾场，点火延迟时长也不尽相同。通过高速摄像机以10 000 fps的速度拍摄不同乙醚云雾点火延迟时间及火焰发展过程，如图 6所示，由不同质量浓度下点火延迟时间及趋势可知，在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时其点火延迟时长最短，约为15 ms；最长点火延迟时长26 ms发生在乙醚云雾燃爆上限417.34 g/m3。乙醚云雾与空气混合点火延迟时长在燃爆极限范围内呈U型分布。
图 6 不同质量浓度的乙醚液雾的点火延迟时间Figure 6. Ignition delay time of diethyl ether mist with different mass concentrations如图 7所示，实验观测得到火焰由球罐下半部向整个罐体传播，分析可得：(1)在雾化完成后，液滴的沉降效应导致球罐下半部浓度随时间而升高；(2)双喷头二次脉冲气动雾化方法，减缓了气动对罐体内部湍流强度，从而使湍流效应弱于液滴群沉降效应。
图 7 质量浓度为278.23 g/m3的乙醚云雾点火及火焰传播过程Figure 7. Ignition and flame propagation process of diethyl ether mist with the mass concentration of 278.23 g/m34. 结论
建立了20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统，通过不同气动压力与设计喷雾剂量的协调，获得了乙醚云雾在索特平均直径为22.90μm的条件下不同质量浓度实验数据，并在点火能为40.32 J、常温常压条件下进行了燃爆超压、温度及点火延迟时间等燃爆参数的实验研究，得到结论如下：
(1) 乙醚云雾与空气混合物燃爆质量浓度极限范围为80.26~417.34 g/m3。
(2) 乙醚云雾与空气混合物燃爆最大超压0.78 MPa, 出现在乙醚云雾质量浓度为278.34 g/m3时。乙醚云雾燃爆最大温度1 260 ℃，出现在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时。
(3) 乙醚云雾与空气混合物点火延迟时长在燃爆极限范围内呈U型分布，最短点火延迟时长15 ms发生在乙醚云雾质量浓度为228.29 g/m3时；最长点火延迟时长26 ms发生在乙醚云雾燃爆质量浓度上限417.34 g/m3时。
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图 3 气柱界面内部气体分布
Figure 3. Distribution of relative volume fraction in the gas cylinder interface
图 5 压力梯度、密度梯度夹角正弦值沿界面半周长的变化
Figure 5. The change of the sine angle of pressure gradient and density gradient along the half perimeter of the interface
图 6 不同形状界面气体相对体积分数分布
Figure 6. Distribution of relative volume fraction of gas at different gas cylinder interfaces
图 7 圆形界面沿轴线的气体相对体积分数分布
Figure 7. Relative volume fraction of gas along axises of circular interface
图 8 界面相对体积分数的概率密度分布
Figure 8. Probability density of interfacial relative volume fraction
图 9 峰值气体相对体积分数与时间关系
Figure 9. Relation between of relative volume fraction peak and time
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[1] Meshkov E E. Instability of the interface of two gases accelerated by a shock wave[J]. Fluid Dynamics, 1969, 4(5):101-104. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wlxb201723027 [2] Haas J, Sturtevant B. Interaction of weak shock waves with cylindrical and spherical gas inhomogeneities[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1987, 181:41-76. doi: 10.1017/S0022112087002003 [3] Jacobs J W. Shock-induced mixing of a light-gas cylinder[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1992, 234:629-649. doi: 10.1017/S0022112092000946 [4] Jacobs J W. The dynamics of shock accelerated light and heavy gas cylinders[J]. Physics of Fluids A, 1993, 5(9):2239-2247. doi: 10.1063/1.858562 [5] Tomkins C, Prestridge K, Zoldi C, et al. An investigation of shock-accelerated, unstable gas cylinders using simultaneous density-field visualization and PIV [C]//The 4th International Symposium on Particle Image Velocimetry. Germany, 2001: 1136. [6] Tomkins C, Prestridge K, Rightley P, et al. Flow morphologies of two shock-accelerated unstable gas cylinders[J]. Journal of Visualization, 2002, 5(3):273-283. doi: 10.1007/BF03182335 [7] Kumar S, Orlicz G, Tomkins C, et al. Stretching of material lines in shock-accelerated gaseous flows[J]. Physics of Fluids, 2005, 17(8):082107. doi: 10.1063/1.2031347 [8] Kumar S, Vorobieff P, Orlicz G, et al. Complex flow morphologies in shock-accelerated gaseous flows[J]. Physica D, 2007, 235(1):21-28. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=bdbcdf0e0282f4b502c2c68e5b86d83b [9] Si T, Zhai Z G, Luo X S. Experimental study of Richtmyer-Meshkov instability in a cylindrical converging shock tube[J]. Laser and Particle Beams, 2014, 32(3):343-351. doi: 10.1017/S0263034614000202 [10] 何惠琴, 翟志刚, 司廷, 等.反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究[J].实验流体力学, 2014, 28(6):56-60. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ltlxsyycl201406008He Huiqin, Zhai Zhigang, Si Ting, et al. Experimental study on the shocked RM instability of two kinds of heavy gas cylinder[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2014, 28(6):56-60. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ltlxsyycl201406008 [11] Zou L Y, Liu C L, Tan D W, et al. On interaction of shock wave with elliptic gas cylinder[J]. Journal of Visualization, 2010, 13(4):347-353. doi: 10.1007/s12650-010-0053-y [12] Zou L Y, Huang W B, Liu C L, et al. On the evolution of double shock-accelerated elliptic gas cylinders[J]. Journal of Fluids Engineering, 2014, 136(9):031204. http://cn.bing.com/academic/profile?id=d99fff72b338cb9ecd62ae8c4ec2d723&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn [13] 邹立勇, 廖深飞, 刘金宏, 等.双椭圆界面Richtmyer-Meshkov流动中的相互干扰效应[J].高压物理学报, 2015, 29(3):191-198. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gywlxb201503005Zou Liyong, Liao Shenfei, Liu Jinhong, et al. Interaction effect of two ellipse Richtmyer-Meshkov flows[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2015, 29(3):191-198. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gywlxb201503005 [14] Balakumar B, Orlicz G, Tomkins C. Dependence of growth patterns and mixing width on initial conditions in Richtmyer-Meshkov unstable fluid layers[J]. Physica Scripta, 2008, T132:014013. doi: 10.1088/0031-8949/2008/T132/014013 [15] Tomkins C, Kumar S, Orlicz G, et al. An experimental investigation of mixing mechanisms in shock-accelerated flow[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2008, 611:131-150. doi: 10.1017-S0022112008002723/ [16] Bai J S, Zou L Y, Wang T, et al. Experimental and numerical study of shock-accelerated elliptic heavy gas cylinders[J]. Physical Review E, 2010, 82:056318. doi: 10.1103/PhysRevE.82.056318 期刊类型引用(8)
1. 蒋八运，程扬帆，李世周，钱家祺，韦箫，薛茹君. 环氧丙烷/空气混合物气-液两相燃爆特性. 含能材料. 2023(07): 699-706 . 
百度学术2. 李峰，张晨雨，王悦，王博，张梦雨，荆亚东. 20L球型爆炸装置气液输送管段结构的优化设计. 高压物理学报. 2023(04): 178-189 . 百度学术3. 臧小为，吴峰，虞浩，吕启申，潘旭海，蒋军成. 20L近球形容器中甲醇喷雾液滴爆炸特性实验研究. 中国安全生产科学技术. 2021(11): 25-31 . 百度学术4. 刘雪岭，张奇. 预点火湍流对正戊烷云雾爆炸参数的影响. 爆炸与冲击. 2019(03): 4-13 . 
本站查看5. 张成均，白春华. 基于20 L球罐的多相混合物扩散模拟. 中国安全生产科学技术. 2019(04): 52-58 . 百度学术6. 白春华，张成均，刘楠，姚宁. 环境温度对多相混合物爆炸特性影响的实验研究. 高压物理学报. 2019(04): 182-188 . 百度学术7. 吕启申，臧小为，潘旭海，马鹏，虞浩，蒋军成. 温度和浓度对甲醇喷雾爆炸特性参数的影响. 爆炸与冲击. 2019(09): 149-157 . 本站查看8. 郑秋雨，孙永强，王旭，蓝真亮. 可燃液体雾滴粒径分布对其引燃性的影响. 安全与环境学报. 2018(05): 1779-1783 . 百度学术其他类型引用(2)
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