感應(yīng)式荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸傳播速度的影響

徐永亮，王蘭云，余明高，萬少杰，梁棟林

(1. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作，454003；2. 中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州，221116；3. 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作，454003)

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感應(yīng)式荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸傳播速度的影響

徐永亮1, 2, 3，王蘭云1, 2，余明高1, 3，萬少杰1，梁棟林1

(1. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作，454003；2. 中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州，221116；3. 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作，454003)

為了研究荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч耙直瑱C(jī)理，基于靜電感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)荷電細(xì)水霧發(fā)生及其瓦斯抑爆裝置，并開展一系列荷電細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究。分析在不同荷電極性、荷電電壓及霧通量下，荷電細(xì)水霧對爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。研究結(jié)果表明：與普通細(xì)水霧相比，荷電細(xì)水霧能更有效地降低瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?，且隨著荷電電壓的增大，荷電細(xì)水霧對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч@著增強(qiáng)；同時(shí)荷負(fù)電荷的細(xì)水霧抑爆效果比荷正電荷的細(xì)水霧更好。當(dāng)細(xì)水霧加載電壓為8 kV時(shí)，火焰平均傳播速度下降62.12%，火焰瞬時(shí)速度下降45.67%。

感應(yīng)荷電；火焰速度；瓦斯抑爆；速度峰值

礦井瓦斯爆炸是煤礦開采過程中破壞力最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，采取合理的瓦斯抑爆措施能夠有效地削弱或抑制瓦斯爆炸災(zāi)害影響。目前多重高壓水幕、防爆水袋、巖粉棚和隔火柵等是煤礦主要采用的瓦斯抑爆措施。而細(xì)水霧技術(shù)由于其本身特殊的物理化學(xué)特性，目前已經(jīng)在井下多種場合得到相應(yīng)的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于細(xì)水霧滅火方法和理論方面進(jìn)行了大量研究[1?9]，結(jié)果表明細(xì)水霧對于燃燒火焰具有一定的抑制作用。GU等[10]研究了不同體積超細(xì)水霧對不同含量甲烷爆炸的抑制現(xiàn)象，并初步確定了超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸的臨界體積通量。秦文茜等[11]研究了超細(xì)水霧作用下的瓦斯爆炸壓力變化規(guī)律。關(guān)于施加外部電場，KIM等[12?19]研究發(fā)現(xiàn)：利用施加的交流或直流電場來改變相關(guān)電場參數(shù)，進(jìn)而破壞了噴射火焰的穩(wěn)定性或使其熄滅，結(jié)果顯示外加電場能夠有效影響火焰的燃燒過程。而荷電細(xì)水霧主要是利用接觸荷電、感應(yīng)荷電或電暈荷電3種不同方式將空間內(nèi)通過的細(xì)水霧預(yù)先荷電，使其選擇性地帶有某種電荷，再根據(jù)電荷種類實(shí)現(xiàn)特定目的的一種新方法。MAGHIRANG等[20?22]利用荷電細(xì)水霧開展了煙氣擴(kuò)散過程中的消煙實(shí)驗(yàn)。McCOY等[23?25]利用水霧預(yù)先荷電方法，提高了水霧與工業(yè)粉塵的接觸能力，有效提高了除塵效率。然而，荷電細(xì)水霧在抑制煤礦井下瓦斯爆炸領(lǐng)域的研究尚未展開。本文作者通過自行建立的荷電細(xì)水霧發(fā)生裝置及瓦斯爆炸模擬實(shí)驗(yàn)平臺，利用荷電細(xì)水霧相關(guān)參數(shù)的變化研究其對瓦斯爆炸傳播速度的影響規(guī)律，這對提高荷電細(xì)水霧瓦斯抑爆效率、保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 感應(yīng)式荷電細(xì)水霧發(fā)生方法

本實(shí)驗(yàn)采用感應(yīng)式對細(xì)水霧實(shí)施荷電，即通過靜電感應(yīng)使細(xì)水霧霧滴荷上與感應(yīng)電極極性相反的電荷。實(shí)驗(yàn)所用細(xì)水霧平均粒徑約為100 μm，荷電細(xì)水霧發(fā)生器產(chǎn)霧速率為1.32 L/min。感應(yīng)電極為銅環(huán)電極，橫截面積為2.5 mm2，直徑為30 mm，感應(yīng)荷電效果最好的噴頭與電極間距離為12 mm，可以避免由于電極環(huán)放電帶來的安全問題[26]。

在本實(shí)驗(yàn)中，荷電電壓在0~8 kV之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)網(wǎng)狀目標(biāo)法的測試結(jié)果，在該范圍內(nèi)，水霧帶電能力隨荷電電壓的升高而線性增加。細(xì)水霧的荷電極性可以利用改變感應(yīng)電極和噴頭卡套的接地方式實(shí)現(xiàn)。為在特定區(qū)域內(nèi)獲得電場，可將高壓電源輸出端和接地端分別接噴霧端電極卡套和銅環(huán)電極上，如圖1(a)所示；也可采用銅環(huán)電極接高壓電源、噴霧端卡套接地的連接方式，如圖1(b)所示。本次實(shí)驗(yàn)則采用后一種方式。當(dāng)細(xì)水霧通過荷電電場時(shí)，在與電場中帶電運(yùn)動離子碰撞后，而部分細(xì)水霧表面帶上一定量與感應(yīng)電極極性相反的電荷，進(jìn)而改變細(xì)水霧霧滴本身的物理化學(xué)特性，以提高抑爆效率。

(a) 荷負(fù)電荷的噴頭；(b) 荷正電荷的噴頭

2 感應(yīng)式荷電細(xì)水霧瓦斯抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 瓦斯抑爆實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)管道由兩段相同的方形有機(jī)玻璃材質(zhì)管道(管長為500 mm，方形截面長×寬為100 mm×100 mm，壁厚為20 mm)組成。管道一端用法蘭螺釘封閉，為電火花點(diǎn)火端，另一端為活動端，中間由雙層PVC薄膜塑料密封。管道中間通過PVC隔膜和法蘭將兩段管道分開，B管段預(yù)先充入體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷空氣預(yù)混氣體，A管段充入荷電細(xì)水霧。其中，充入B管段的預(yù)混氣體由質(zhì)量流量計(jì)控制；充入A管段的細(xì)水霧是將荷電細(xì)水霧發(fā)生裝置產(chǎn)生的細(xì)水霧，通過PVC管道輸送至A管道。在A管道的管道壁面上設(shè)有電極卡套，細(xì)水霧經(jīng)過電極卡套和感應(yīng)電極環(huán)中間時(shí)，由于靜電感應(yīng)，帶上電荷。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)玻璃管道、細(xì)水霧荷電裝置、高速攝像儀、高壓直流電源、配氣裝置、數(shù)據(jù)采集裝置等組成。A管道中距左端約200 mm處設(shè)置有荷電細(xì)水霧噴頭。B管道右端裝設(shè)有型號為MD?HF的高頻壓力傳感器，量程為?0.1~0.1 MPa，響應(yīng)時(shí)間為 0.1 ms，測量精度為0.25。壓力采集通過頻率15 kHz的USB?1208型數(shù)據(jù)采集卡完成。光電傳感器為RL?1型，記錄瓦斯點(diǎn)火起爆瞬間光電信號，確定火焰?zhèn)鞑D像的初始時(shí)間點(diǎn)。通過高速攝像儀(Lavision’camer systems-high speed camera)采集瓦斯爆炸火焰在管道內(nèi)的傳播圖像，其圖像采集頻率為2 000幀/s。實(shí)驗(yàn)時(shí)，初始壓力為0.1 MPa，環(huán)境溫度約為25 ℃。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)[27]如圖2所示。

1—MD?HF型高頻壓力傳感器；2—RL?1型光電傳感器；

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟及過程

該實(shí)驗(yàn)用氣體為體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷/空氣預(yù)混氣體，而管道A端注入標(biāo)況下5 L細(xì)水霧。試驗(yàn)測試具體步驟如下：

1) 試驗(yàn)管道A和B容積總計(jì)約為10 L，圖2所示管道B端有效瓦斯充入體積為5 L。預(yù)混甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)(即甲烷與空氣的體積比)為9.5%。

2) 在管段B中充入預(yù)混氣體，待氣體靜置1 min后，通過控制點(diǎn)火控制器實(shí)施點(diǎn)火預(yù)爆。并利用光電傳感器采集到的光電信號來確定爆炸時(shí)刻，高速攝像儀負(fù)責(zé)拍攝管道火焰圖片，記錄瓦斯爆炸火焰在管道內(nèi)進(jìn)行傳播的全過程。

3) 通過改變高壓電源的輸出電壓和電極的接地方式，使荷電電壓分別為0，±2，±4，±6和±8 kV，獲得不同荷電特性的荷電細(xì)水霧。

采用光電傳感器和高速攝像儀采集到的光電信號和火焰?zhèn)鞑D像，以研究在荷電極性和荷電電壓影響下的細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓卣鳌?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同細(xì)水霧作用時(shí)對瓦斯爆炸火焰平均傳播速度的影響通過高速攝像儀記錄瓦斯爆炸傳播過程中的火焰陣面圖像的分幅照片，典型的爆炸傳播圖像如圖3所示。

時(shí)間/s：(a) 0.026；(b) 0.028；(c) 0.029；(d) 0.030

本文中的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁歉鶕?jù)高速攝像儀在不同時(shí)間拍攝的火焰陣面的位置變化以及該位置變化拍攝時(shí)間間隔計(jì)算出的，如圖4所示。

(a) 細(xì)水霧加載負(fù)電壓時(shí)爆炸平均速度對比曲線；(b) 細(xì)水霧加載正電壓時(shí)爆炸平均速度對比曲線

圖4中在500 mm之前管道中瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑テ骄俣然颈３植蛔?，在此階段火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€部分沒有出現(xiàn)重合，主要是數(shù)據(jù)采集開始時(shí)出現(xiàn)的偏差造成的。從圖4可以看出：火焰?zhèn)鞑ニ俣缺３殖掷m(xù)的增長，在500 mm處火焰?zhèn)鞑テ骄俣冗_(dá)到7.92 m/s，當(dāng)通過500 mm后即火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)入水霧霧場區(qū)時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣韧蝗怀霈F(xiàn)陡降，爆炸火焰進(jìn)入不同荷電電壓作用時(shí)的荷正電荷的細(xì)水霧霧場區(qū)時(shí)，火焰?zhèn)鞑テ骄俣扔?.92 m/s分別下降到6.02，5.39，5.36，5.26和5.04 m/s。且隨著荷電電壓的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉捣饾u增大，最大降幅達(dá)到36.37%。和荷正電荷的細(xì)水霧作用時(shí)相比，荷負(fù)電荷的細(xì)水霧使管道火焰?zhèn)鞑テ骄俣确謩e降為6.02，4.62，4.02，3.65和3.00 m/s，最大降幅達(dá)到了62.12%，說明荷電細(xì)水霧較普通細(xì)水霧能夠更顯著的抑制瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣龋液韶?fù)電荷的細(xì)水霧對火焰的抑制效果較正電荷的細(xì)水霧更好。這主要是因?yàn)楹呻娂?xì)水霧使得細(xì)水霧的理化特性發(fā)生了改變，可以增強(qiáng)水霧對火焰的吸熱冷卻作用，阻止已燃區(qū)火焰熱量對未燃區(qū)預(yù)混氣體的預(yù)熱，同時(shí)對燃燒火焰中的自由基產(chǎn)生影響作用，擾亂活化中心原有的自由基分布，從而對瓦斯爆炸傳播速度有更好地抑制作用。而且，由于荷負(fù)電荷的細(xì)水霧霧滴更容易受到爆炸火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)部帶異相極性電荷粒子、中間產(chǎn)物、瞬態(tài)產(chǎn)物及電場力的作用，因此更容易與爆炸火焰中的帶電粒子和自由基融合，從而可更顯著地減少已燃區(qū)自由基和帶電粒子向未燃區(qū)域擴(kuò)散，削弱粒子間的碰撞概率，阻斷甲烷氣體鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)一步發(fā)生，進(jìn)而使得爆炸火焰鋒面出現(xiàn)明顯的撕裂和卷曲，最終導(dǎo)致瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著降低[28?30]。

3.1 不同細(xì)水霧作用時(shí)各測點(diǎn)的火焰?zhèn)鞑ニ矔r(shí)速度

在實(shí)驗(yàn)過程中通過對所采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，用相鄰2張傳播圖像中火焰陣面的距離差值除以相鄰2張圖像間的傳播時(shí)間(0.000 5 s)，得到火焰?zhèn)鞑ニ矔r(shí)速度，來研究荷電細(xì)水霧在不同荷電電壓值下對爆炸火焰?zhèn)鞑ニ矔r(shí)速度的影響，如圖5所示。

(a) 細(xì)水霧加載負(fù)電壓時(shí)爆炸瞬時(shí)速度對比曲線；(b) 細(xì)水霧加載正電壓時(shí)爆炸瞬時(shí)速度對比曲線

從圖5可以看出：實(shí)驗(yàn)過程中加載正負(fù)不同電壓時(shí)，爆炸火焰?zhèn)鞑ニ矔r(shí)速度曲線均出現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象主要是由于爆炸火焰在從管段B突破兩管段間隔膜進(jìn)入A時(shí)的壓力波動造成的。在爆炸火焰進(jìn)入荷電細(xì)水霧霧場區(qū)時(shí)爆炸火焰瞬時(shí)速度經(jīng)歷了先降后升再降的趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因是爆炸火焰進(jìn)入霧場區(qū)后受到荷電細(xì)水霧的抑制作用，火焰瞬時(shí)速度發(fā)生陡降，而由于細(xì)水霧對瓦斯爆炸氣體的壓縮使瓦斯氣體出現(xiàn)短暫的聚集從而使爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣仍俅纬霈F(xiàn)上升，在接近爆炸結(jié)束時(shí)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ矔r(shí)速度再次下降[31]。從圖5還可以看出：荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰瞬時(shí)速度的衰減作用比常規(guī)細(xì)水霧更明顯，且細(xì)水霧攜帶負(fù)電荷比帶正電荷更能顯著地削弱火焰瞬時(shí)傳播速度。這是由于荷電細(xì)水霧的加入打破了爆炸火焰中的正/負(fù)離子分布以及電子/帶電中間粒子的空間電荷平衡狀態(tài)，加速了荷電細(xì)水霧霧滴對極性不同的中間過渡態(tài)反應(yīng)粒子、瞬態(tài)產(chǎn)物、電子等捕獲、吸附和中和作用，并減小了其在微電場力作用下使火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)粒子濃度和分布梯度，進(jìn)而有效抑制了自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)程，從而達(dá)到抑制瓦斯爆炸的效果。與此同時(shí)，由于細(xì)水霧霧滴通過高壓電場后使其理化特性發(fā)生了改變，攜帶負(fù)電荷的細(xì)水霧霧滴對火焰中的帶電離子結(jié)合作用更強(qiáng)，且隨著荷電電壓的增大，使得霧滴的荷電量逐漸增加[32]，因此，荷電細(xì)水霧本身的荷電特性越發(fā)明顯，最終使得荷負(fù)電細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂懈语@著的抑制作用。

3.2 不同霧通量作用下瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑シ逯邓俣茸兓?/p>

根據(jù)不同荷電電壓和荷電極性對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懙那€可以看出：隨著加載電壓的增加，電源加載正電壓時(shí)細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰的抑制效果逐漸增強(qiáng)。為了進(jìn)一步考察荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸的抑制有效性，實(shí)驗(yàn)對分別注入0，1，2，3，4和5 L這6種不同體積的細(xì)水霧分別在未加載電壓和加載電壓為8 kV時(shí)對瓦斯爆炸速度峰值的變化進(jìn)行分析，以考察不同霧通量時(shí)荷電作用對瓦斯爆炸的抑制效果。并用origin對圖像進(jìn)行處理，得到3次擬合函數(shù)：

12233(1)

式中：為細(xì)水霧通入體積；為瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣龋唬?，2和3為參數(shù)。擬合曲線如圖6所示。

1—普通細(xì)水霧；2—荷電細(xì)水霧。

從圖6可以看出：霧通量分別為1，2，3，4和 5 L的荷電細(xì)水霧較無水霧時(shí)可使瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e下降了13.88%，18.09%，18.28%，24.21%和26.77%。當(dāng)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆迪嗤瑫r(shí)，荷電細(xì)水霧的用水量明顯低于普通細(xì)水霧的用水量，說明相同霧通量的荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸的抑制作用較未荷電普通細(xì)水霧顯著增強(qiáng)。在現(xiàn)場實(shí)施中，隨著瓦斯爆炸體積增大，為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的抑爆效果，需要施加的細(xì)水霧霧通量相應(yīng)增加，由于荷電細(xì)水霧的瓦斯抑爆能力隨著細(xì)水霧霧通量的增加而增強(qiáng)，相較普通細(xì)水霧而言抑爆所需荷電細(xì)水霧的霧通量將更少。這主要是：一方面，由于細(xì)水霧霧通量增加，瓦斯爆炸區(qū)域水霧霧滴濃度相應(yīng)增加，單位體積內(nèi)與火焰鋒面接觸的霧滴總量增多，細(xì)水霧霧滴的吸熱和阻礙作用將更加明顯；另一方面，細(xì)水霧單個(gè)霧滴荷電量一定，增加霧通量，霧滴的整體荷電總量也將增加，靜電力互斥作用更大，從而使得細(xì)水霧霧滴彌散度增大。在靜電場作用下荷電細(xì)水霧表面黏滯阻力和張力降低，霧滴粒徑更小，使得霧滴在瓦斯爆炸火焰反應(yīng)區(qū)載中的分布也更加均勻，進(jìn)而增大與火焰鋒面的接觸面積，大大增強(qiáng)霧滴對爆炸反應(yīng)中熱量的吸收作用，降低反應(yīng)核心區(qū)域的溫度。同時(shí)，帶電霧滴群對爆炸反應(yīng)區(qū)中間產(chǎn)物、帶電粒子的吸附、擾動作用增強(qiáng)，而且在較高爆炸壓力情況下，荷電細(xì)水霧霧滴可以作為第三體和爆炸火焰反應(yīng)中產(chǎn)生的自由基進(jìn)行反應(yīng)，自由基的部分能量就被轉(zhuǎn)移到水分子上，從而降低了反應(yīng)活性。再者，爆炸火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)在靜電力作用和火焰鋒面的不規(guī)則卷吸作用下，荷電細(xì)水霧霧滴更易進(jìn)入爆炸火焰活化中心，有效阻滯活化粒子的生成，進(jìn)而抑制爆炸火焰的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行。荷電細(xì)水霧霧滴通過有效地抑制爆炸過程鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，達(dá)到阻滯瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖饔谩?/p>

表1 不同細(xì)水霧作用時(shí)的參數(shù)

Table 1 Parameters at different water mist

細(xì)水霧類型 A B1 B2 B3 未加載電壓細(xì)水霧 70.858 9 ?4.010 6 ?1.607 6 0.274 7 荷電細(xì)水霧 70.584 5 ?15.737 0 2.518 0 ?0.178 2

4 荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种茩C(jī)理

瓦斯爆炸過程是一個(gè)極為復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，其主反應(yīng)為CH4+2O2=CO2+2H2O。但實(shí)際上，該化學(xué)反應(yīng)鏈包括很多支鏈反應(yīng)和大量的自由基。在爆炸反應(yīng)進(jìn)行的過程中，伴隨著氧化還原反應(yīng)中電子的得失，瓦斯爆炸反應(yīng)活化中心區(qū)域存在著大量的由支鏈反應(yīng)過程中產(chǎn)生的荷電粒子、自由基或中間產(chǎn)物。瓦斯爆炸過程中常見的支鏈反應(yīng)有：CH4+HO2= CH3+H2O2，CH3+O2=O+CH3O，H+CH4=CH3+H2和O2+CH2O= HO2+HCO可以產(chǎn)生H2O2，O，CH3O，CH3和CHO等自由基，這些大量的自由基和粒子共同促進(jìn)瓦斯爆炸，使反應(yīng)得以延續(xù)發(fā)展。

細(xì)水霧對瓦斯爆炸具有抑制作用，主要是因?yàn)槠淅鋮s降溫物理作用、動力學(xué)作用和附加效應(yīng)。其中動力學(xué)作用是指細(xì)水霧對火焰本身長度的拉伸作用，能夠使燃燒區(qū)域內(nèi)氣體運(yùn)動發(fā)生變化；附加效應(yīng)則是指細(xì)水霧對煙霧和工業(yè)廢氣的洗滌作用。同時(shí)，霧滴水分子可以與H和O等自由基進(jìn)行相互作用，比如反應(yīng)2H+H2O=H2+H2O可以消耗H自由基，從而降低爆炸強(qiáng)度。

而荷電細(xì)水霧不但具有普通細(xì)水霧的優(yōu)點(diǎn)，而且由于荷電作用使細(xì)水霧的理化特性發(fā)生改變，從而對瓦斯爆炸有更好的抑制作用。首先，荷電作用使細(xì)水霧霧滴攜帶一定量同種極性的電荷，顆粒間形成互斥的電場力作用，使得其一定時(shí)間內(nèi)保持細(xì)水霧場區(qū)內(nèi)較高的霧滴密度和穩(wěn)定性，這使得在荷電霧滴進(jìn)入爆炸火焰區(qū)以后，可以更高效地發(fā)揮霧滴冷卻降溫的物理作用；而當(dāng)瓦斯爆炸火焰進(jìn)入細(xì)水霧區(qū)域時(shí)，在火焰溫度影響下使得細(xì)水霧霧滴吸熱蒸發(fā)膨脹，但在荷電作用下不易凝結(jié)及穩(wěn)定的特性使得細(xì)水霧與火焰的接觸面積增大，從而減緩熱量傳遞，稀釋燃燒區(qū)的氧氣濃度，延緩爆炸鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。其次，荷電細(xì)水霧所帶電荷形成的靜電場會對燃燒火焰中的自由基產(chǎn)生影響，擾亂活化中心原有O，CH3O和CH3等支鏈的自由基分布，降低粒子間的碰撞概率，阻滯瓦斯爆炸氣體鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可持續(xù)進(jìn)行，改變火焰鋒面的不規(guī)則度，進(jìn)而降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?。再者，霧滴所攜帶的電荷會對自由基和帶電粒子產(chǎn)生電場力作用，使得爆炸火焰反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間粒子、瞬態(tài)產(chǎn)物以及電子等被細(xì)水霧霧滴捕獲、吸附和中和，最終使得爆炸反應(yīng)的強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫接行Э刂啤?/p>

5 結(jié)論

1) 與普通細(xì)水霧相比，荷電細(xì)水霧能夠更有效地抑制瓦斯爆炸過程的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，對火焰鋒面的干擾作用也明顯增強(qiáng)，并且荷負(fù)電荷細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种谱饔酶语@著。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著荷電電壓的增大，攜帶正電荷的細(xì)水霧使瓦斯爆炸火焰平均速度下降了36.37% 、火焰?zhèn)鞑ニ矔r(shí)速度下降了40.53%；攜帶負(fù)電荷的細(xì)水霧使火焰?zhèn)鞑テ骄俣认陆盗?2.12%，火焰?zhèn)鞑ニ矔r(shí)速度下降45.67%。

2) 在相同荷電電壓情況下，隨著霧通量的增加，荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸過程火焰?zhèn)鞑シ逯邓俣鹊囊种谱饔妹黠@增強(qiáng)。其中在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，霧能量為5 L時(shí)荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸峰值速度影響最大，較無水霧時(shí)可使瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?6.77%。

3) 因荷電細(xì)水霧本身所帶電荷形成的靜電場力作用，與普通細(xì)水霧相比，荷電細(xì)水霧霧滴具有更高的霧滴密度和穩(wěn)定性，更易進(jìn)入瓦斯爆炸的活化中心區(qū)域，因此，霧滴對爆炸火焰的冷卻降溫作用更強(qiáng)。同時(shí)，荷電細(xì)水霧滴更容易吸附、銷毀爆炸反應(yīng)過程活化中心的自由基，干擾、中斷瓦斯爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)程，從而有效抑制瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

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(編輯 楊幼平)

Influence of inductively charged water mist onflame velocity of gas explosion

XU Yongliang1,2,3, WANG Lanyun1,2, YU Minggao1,3, WAN Shaojie1, LIANG Donglin1

(1. College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China3. Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province, Jiaozuo 454003, China)

In order to study the suppression effect and mechanism of gas explosion on flame propagation velocity by charged water mist, based on the principle of electrostatic induction, a charged water mist generating device was designed, and the experimental researches of charged water mist on gas explosion suppression were carried out. The effects on flame propagation velocity of gas explosion by charged water mist were analyzed at different charged polarities, charged voltages and mist fluxes. The results show that compared with ordinary water mist, the charged water mist can lower flame propagation velocity of gas explosion effectively, and with the increase of charge voltage, the suppression effect is enhanced significantly; meanwhile, the negatively charged water mist has a better suppression effect on gas explosion than positively charged water mist. When the charged voltage is 8 kV, the average flame propagation speed drops by 62.12%, and instantaneous flame velocity drops by 45.67%.

induction charging; flame velocity; gas explosion suppression; peak velocity

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.046

TD712.7

A

1672?7207(2016)08?2884?07

2015?08?05；

2015?11?16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304071，51304073)；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(122300413210)；中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(12KF02)(Projects(5104071, 51304073) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(122300413210) supported by the Foundation & Cutting-edge Technology Project of Henan Province; Project(12KF02) supported by the Open Projects of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining & Technology)

王蘭云，博士，講師，從事礦井火災(zāi)防治研究；E-mail: lanyun.wang@gmail.com