管道截面對氫氣／空氣預(yù)混爆炸影響的實驗研究

路 長，李 毅，潘榮錕

（1.河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地，焦作，454003；2.河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，焦作，454003）

0 引言

近些年由于可燃?xì)怏w引發(fā)的爆炸災(zāi)害事故不斷發(fā)生，包括現(xiàn)代工礦業(yè)中很多事故也都起因于可燃?xì)怏w的爆炸，導(dǎo)致生活、生產(chǎn)設(shè)施及建筑結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，同時造成重大的人員傷亡。在眾多的可燃?xì)怏w中，氫氣作為最重要的工業(yè)氣體和特種氣體其應(yīng)用越來越多。由于其具有較低的點火能量、較寬的爆炸極限以及較大的層流燃燒速度及擴散速度，其爆炸威力及危害較碳?xì)浜推渌鼩怏w燃料更大，因此研究氫氣燃燒爆炸特性具有很重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對氫氣／空氣預(yù)混氣體爆炸也給予了很大的關(guān)注。關(guān)于火焰動力學(xué)與壓力變化的各種影響因素的研究有很多，已有研究集中在當(dāng)量比、初始溫度壓力、點火能量、開口率、障礙物等因素對爆炸特征的影響研究，然而有關(guān)氫氣爆炸的尺寸效應(yīng)研究較少。Dunn－Rankin［1］通過實驗得出尺寸效應(yīng)對火焰?zhèn)鞑ビ泻艽笥绊懀艚鹣慊鹧嫘纬蓵r間由當(dāng)量比（或?qū)恿骰鹧嫠俣龋┖凸艿澜孛娉叽鐩Q定，郁金香火焰在較長管道中才能形成。Xiao［2］研究得出在同一個半開口管道中，氫氣體積分?jǐn)?shù)為4%～33%和63%～75%時不能形成經(jīng)典的郁金香火焰，在33%～63%之間時形成郁金香火焰。Pareja［3］研究了低壓、室溫下的氫氣／空氣火焰層流燃燒速度，得出當(dāng)大氣壓力降低時可以減弱氫氣／空氣火焰的內(nèi)在不穩(wěn)定性。點火能量對火焰?zhèn)鞑サ挠绊憙H限于火焰半徑小于6mm時［4］。程［5］等通過實驗研究了障礙物管道中氫氣／空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ奈锢頇C理，分析得出火焰加速初始階段的主要物理機理是火焰表面積增加、燃燒產(chǎn)物膨脹和障礙物間的延遲燃燒。徐［6］研究了礦井瓦斯爆炸傳播的尺寸效應(yīng)，得出小斷面巷道的爆炸壓力的衰減速度大于大斷面，燃燒波傳播速度快于大斷面巷道。Zhang［7］通過數(shù)值模擬研究了尺寸對空氣中甲烷爆炸及沖擊波的影響，結(jié)果表明巷道長度與高度或?qū)挾鹊谋戎敌∮?0時傳播不符合幾何相似定律，比值大于80時符合。崔［8］等通過對球形容器與管道內(nèi)甲烷／空氣爆炸強度的尺寸效應(yīng)的研究，揭示了尺寸效應(yīng)對氣體爆炸強度的影響規(guī)律。

本文擬采用三個長度相同、截面尺寸不同的管道進(jìn)行對比實驗，以便更好地認(rèn)識氫氣爆炸火焰的傳播規(guī)律和特征。這種不同截面尺寸管道對氫氣／空氣預(yù)混爆炸特征的影響在已有文獻(xiàn)中還未能檢索到。本文以氫氣體積分?jǐn)?shù)為20%、25%、30%、40%的氫氣／空氣預(yù)混氣體為研究對象，觀測它們在三種管道中爆炸后的不同發(fā)展規(guī)律，為更好地實現(xiàn)氫能安全利用做一些有益的探索。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，主要包括三個透明方形有機玻璃管道（長度都為1米，截面尺寸分別為80mm×80mm，100mm×100mm，150mm×150mm）配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。配氣系統(tǒng)主要包括高壓高純氫氣瓶、空氣壓縮機、質(zhì)量流量控制器（MFC）等；點火系統(tǒng)由高頻脈沖點火器、6V直流電源和開關(guān)組成；高速攝像系統(tǒng)由高速攝像機、控制器及計算機組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器、光電傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機。

圖1 氫氣爆炸實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of hydrogen explosion

2 實驗條件與方法

實驗管道水平放置，充氣口、點火器、壓力傳感器安裝在管道右端，點火器位于此端中心，光電傳感器位于此端管道上方正對點火位置用以標(biāo)記點火起始時刻。管道左端用PVC薄膜封閉。實驗過程基本步驟為：安裝薄膜、配氣、點火、采集壓力及光電信號、采集火焰圖片。本實驗預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)為20%，25%，30%，40%，在三個不同尺寸的管道中分別進(jìn)行爆炸實驗。壓力及光電信號及火焰圖片的采集：壓力及光電信號采集頻率均為15kHz；由高速攝像儀以2000幀／秒的速度進(jìn)行高速拍攝，以捕捉爆炸火焰結(jié)構(gòu)及火焰鋒面位置。

氫氣的濃度實驗中難以直接測量，因此采用排空氣法進(jìn)行配氣，即在管道右端充入氫／空預(yù)混氣的同時在左端上方排氣。設(shè)置質(zhì)量流量控制器的流量，通入4倍管道體積的預(yù)混氣以確保管道中的氫氣濃度的準(zhǔn)確性［9］。排空氣法可行性的分析如下，假定管道體積V（m3）充入預(yù)混氣體流量L（m3／s），所充入預(yù)混氣體氫氣濃度B%，充氣總量是管道體積的n倍，管道內(nèi)氫氣濃度為y%由初始的0變?yōu)樽罱K的Y%。假定管道內(nèi)的氫氣分布總是均勻的，壓力保持穩(wěn)定，多余氣體被排出。t時刻充入dt時間段的預(yù)混氣，則管道內(nèi)氫氣濃度由y（t）%變?yōu)閥（t＋dt）%，建立方程即：

由式（3）和式（2）積分求解得到：

在本文中，充氣倍數(shù)n＝4，因此最終管道內(nèi)氫氣濃度Y和充氣氫氣濃度B間的關(guān)系為：

管道內(nèi)最終氫氣濃度與預(yù)設(shè)計濃度間的誤差為1.83%。這種配氣方式的有效性在實驗中也得到驗證，火焰速度及爆炸壓力誤差較小，具有較高的可重復(fù)性。

3 實驗結(jié)果與分析

為方便說明，將長度都為1米而截面尺寸由小到大分別為80mm×80mm，100mm×100mm，150mm×150mm的三個管道進(jìn)行編號，分別為管道a、管道b、管道c。

3.1 爆炸火焰特征

本實驗由高速攝像儀拍攝火焰?zhèn)鞑フ掌?，每次實驗都選出10幅照片組合在一起，表達(dá)預(yù)混火焰由右側(cè)傳播到左端管口的過程，如圖2所示。圖2中的三個圖分別為管道a，b，c中的火焰圖，每個圖的第一行是氫氣體積分?jǐn)?shù)為20%、25%的預(yù)混火焰，第二行是氫氣體積分?jǐn)?shù)為30%、40%的預(yù)混火焰。

對于管道內(nèi)預(yù)混氣體爆炸火焰鋒面，最主要有兩種形狀，指尖形和郁金香形。對于預(yù)混火焰?zhèn)鞑恿W(xué)以及郁金香火焰特性，Clanet［10］提出的四個火焰動力學(xué)階段被廣為接受：

1）半球形火焰階段，此階段由于不受壁面限制而火焰自由膨脹；

2）指尖形火焰階段，此階段火焰前鋒類似于指尖形，火焰面積急劇增加而使得火焰成指數(shù)形式加速；

3）接觸壁面火焰，此階段火焰裙邊接觸壁面致使壁面附近火焰熄滅，使得火焰面積快速損失最終導(dǎo)致火焰急劇減速；

4）形成郁金香形火焰階段，此階段火焰鋒面發(fā)生反轉(zhuǎn)而形成向未燃區(qū)凹陷的火焰形狀。與文獻(xiàn)中提出的預(yù)混火焰四階段比較，此管道內(nèi)的火焰經(jīng)歷的過程與其順序一致，但有的經(jīng)歷了前兩個階段，有的經(jīng)歷了前三個階段，有的經(jīng)歷了同樣的四個階段。

實驗中可觀測到，當(dāng)管道截面相同時，氫氣體積分?jǐn)?shù)不同，火焰的顏色與亮度不同，火焰前鋒形狀不同。隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大火焰變得更加明亮，火焰前鋒顏色由藍(lán)色變?yōu)辄S色再變?yōu)榧t色，直觀表明反應(yīng)在加劇以及火焰溫度在不斷升高，這是由于氫氣體積分?jǐn)?shù)越接近化學(xué)當(dāng)量比下的數(shù)值，反應(yīng)越激烈，爆炸產(chǎn)生的能量越大，火焰區(qū)域也越明亮。

圖2 不同管道中的預(yù)混火焰?zhèn)鞑D片F(xiàn)ig.2 Photos of premixed flame propagation in different ducts

當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)相同時，不同管道截面尺寸的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞑煌簹錃怏w積分?jǐn)?shù)為20% 時，管道c的火焰較亮，三個管道都出現(xiàn)了郁金香火焰且管道截面越大，出現(xiàn)位置越靠后，郁金香火焰分別在的管道的1／2、2／3、5／7附近處開始形成，對應(yīng)的時刻分別為16.5ms，17.5ms和25.0ms。截面對郁金香火焰形成的影響可以用Clanet發(fā)現(xiàn)的關(guān)于火焰?zhèn)鞑ヌ卣鲿r間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?0］來解釋，模型中郁金香火焰時間為ttulip＝0.33（R／SL）±0.02（R／SL），其中R為管道高度的一半，本文中管道a、b、c分別為40mm，50mm和75mm，SL是氫氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｖ档米⒁獾氖?，影響郁金香火焰形成的相關(guān)參數(shù)有管道高度的半數(shù)和層流火焰速度，層流火焰速度是氫氣燃燒的一個重要的性質(zhì)，因此郁金香火焰的形成只由管道截面和可燃?xì)怏w的成分決定。然而還沒有辦法去測量氫氣的層流火焰速度，因此本文采用的層流火焰速度是Dahoc［11］在對比不同文獻(xiàn)報道的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得到的數(shù)據(jù)SL為0.996m／s。經(jīng)計算得到管道a、b、c的郁金香形成時間分別為13.3±0.8ms，16.6±1.0ms和24.8±1.5ms，與實驗獲得的數(shù)據(jù)16.5ms，17.5ms和25.0ms基本一致。氫氣體積分?jǐn)?shù)為25%、30%、40%時，只有在最細(xì)的管道a中出現(xiàn)了郁金香火焰，而管道b與c都是以指形火焰?zhèn)鞑ブ凉艿蓝丝?。結(jié)果表明，管道截面及氫氣含量對管道中氫氣／空氣預(yù)混爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ卣?，尤其是對郁金香火焰的形成有著直接影響?/p>

3.2 爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

由高速攝像儀拍攝的火焰圖片經(jīng)處理后取不同時刻火焰長度，計算出不同管道不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下預(yù)混火焰從管道一端傳至另一端口過程中的速度，如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示，分別為管道a、b、c中火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖3 三個管道中的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.3 Flame propagation speed in three ducts

由圖3可得：氫氣含量對預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣戎涤泻艽笥绊?。?dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)由20% 增大到30%火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯党杀对鲩L，30% 與40% 的速度相差不大。將圖3的火焰速度與圖2的火焰形狀對照，不難發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)郁金香火焰的工況其火焰速度都有下降階段，未出現(xiàn)郁金香火焰的工況火焰速度都為持續(xù)上升。如圖2所示，管道a中所有工況及管道b、c中氫氣體積分?jǐn)?shù)為20% 的工況都出現(xiàn)了郁金香火焰，對應(yīng)圖3中的火焰速度變化趨勢相同，都為上升到峰值后下降到很小，然后又上升；管道b、c中25%、30%、40% 的工況都未出現(xiàn)郁金香火焰，對應(yīng)圖3中的火焰速度變化趨勢相同，都為持續(xù)上升。這是由于管道中的氫氣／空氣預(yù)混爆炸火焰的傳播速度與火焰形狀密切相關(guān)：火焰由半球形過渡到指尖形的過程中由于火焰鋒面面積劇增，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭黾?；由于壁面的限制以及指尖形火焰末端接觸壁面的部分熄滅使得火焰面積損失，火焰速度下降；隨著火焰裙邊不斷接觸壁面致使壁面附近出現(xiàn)小型局部湍流，使得鋒面反轉(zhuǎn)而形成郁金香火焰，湍流的出現(xiàn)和發(fā)展使得火焰又一次加速。

圖3中各工況下的火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣群退俣惹€的最大值見表1所示。由于氫氣與空氣當(dāng)量比時對應(yīng)的氫氣體積濃度為29.6%，因此氫氣濃度小于29.6%時是富氧反應(yīng)，大于29.6時是富燃料反應(yīng)。對于富氧反應(yīng)，三個管道中都體現(xiàn)出很好的規(guī)律性，即平均火焰?zhèn)鞑ニ俣榷际?0%的＞25%的＞20%的。但對于富燃料反應(yīng)，則情況變得復(fù)雜，對于平均火焰?zhèn)鞑ニ俣萢管道是30%的＞40%的，b管道是30%的＝40%的，c管道卻是30%的＜40%的。實際上，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓呛軓?fù)雜的，不同濃度會不同，不同管道會不同，即使是單一實驗過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣纫彩亲兓募瓤赡苁遣粩嗉涌?，也可能是先加快后減慢?；鹧?zhèn)鞑ニ俣热Q于的重要因素很多，包括溫度（涉及反應(yīng)放熱與散熱）、壓力（既有上升也有下降）、化學(xué)動力學(xué)參數(shù)（濃度、氮氣的抑制等）、流體力學(xué)作用（壁面摩擦、湍流阻滯等）、相變（反應(yīng)水的變化）等等。因此對于富燃料反應(yīng)，氫氣濃度不再是最關(guān)鍵的因素，火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律還有待更深入的研究。但對于管道截面大小的影響而言，氫氣含量相同時，管道b中的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诠艿繿與c，并非管道越細(xì)或越粗火焰?zhèn)鞑ピ娇臁?/p>

表1 三個管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣萒able 1 The flame propagation speed in three ducts

3.3 爆炸壓力特征

本實驗的壓力測點在管道的點火端，通過壓力傳感器分別測得三個不同管道中氫氣體積分?jǐn)?shù)為20%、25%、30%、40% 時的氫氣／空氣預(yù)混氣體爆炸壓力，壓力變化趨勢及大小如圖4所示。

不同管道不同氫氣含量的預(yù)混氣體爆炸壓力波的第一波峰值見表2。由表2可得：除了管道c的工況，在其余兩個管道中壓力曲線峰值大小為30%的＞40%的＞25%的＞20%的。除了氫氣體積分?jǐn)?shù)為20%的工況，在相同的氫氣體積分?jǐn)?shù)下，爆炸壓力出現(xiàn)了與火焰?zhèn)鞑ニ俣纫恢碌囊?guī)律，即與管道a與c比較，最大爆炸壓力在管道b中出現(xiàn)，而非管道越細(xì)或越粗爆炸壓力越大，與前文火焰速度最大值也出現(xiàn)在管道b中一致，這可能與泄爆比有關(guān)，對于這一現(xiàn)象需要進(jìn)一步研究。由此說明，管道爆炸壓力與火焰特征密切相關(guān)，且氫氣體積分?jǐn)?shù)與管道截面尺寸對爆炸壓力有很大影響。

表2 三個管道內(nèi)的爆炸壓力第一波峰值Table 2 The first peak value of explosion pressure in three ducts

4 結(jié)論

1）相同氫氣體積分?jǐn)?shù)下，管道截面尺寸不同，預(yù)混火焰?zhèn)鞑バ螤畈煌?、傳播速度變化趨勢及速度值不同，在最?xì)的管道80mm×80mm中最容易形成郁金香火焰，且郁金香火焰出現(xiàn)位置最靠前。

2）不論氫氣體積分?jǐn)?shù)的大小或管道的粗細(xì)，管道中的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑ミ^程的火焰形態(tài)密切相關(guān)，形成郁金香火焰的工況其火焰速度會出現(xiàn)上升和下降的波動，一直以指形火焰?zhèn)鞑サ墓r其速度會持續(xù)增加地沖出管口，會持續(xù)上升無下降階段。

3）相同氫氣體積分?jǐn)?shù)下，與最粗和最細(xì)的管道截面相比，橫截面面積適中的管道即長徑比居中的管道內(nèi)平均火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁臁⒈▔毫Φ牟ǚ逯底畲蟆?/p>

4）管道內(nèi)壓力的持續(xù)震蕩源于管道內(nèi)剩余預(yù)混氣體不斷反應(yīng)使壓力升高，水蒸氣冷凝使壓力下降，同時伴隨氣體的流入流出這樣的交替變化效應(yīng)。

圖4 三個管道中的爆炸壓力Fig.4 Explosion pressure in three ducts

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