管道內(nèi)障礙物對(duì)加氫甲烷爆炸特性的影響

余明高，袁晨樵，鄭凱

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管道內(nèi)障礙物對(duì)加氫甲烷爆炸特性的影響

余明高1,2，袁晨樵1，鄭凱2

（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重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

在搭建小尺寸爆炸平臺(tái)的基礎(chǔ)上，研究了當(dāng)量比為1時(shí)，氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為0%、25%、50%、75%和100%時(shí)，障礙物條件下添加氫氣對(duì)管道內(nèi)甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最大爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣榷紩?huì)隨著氫含量和障礙物數(shù)量的增加而增大，并且火焰顏色和火焰形狀也會(huì)隨之發(fā)生變化。但是，障礙物對(duì)火焰平均傳播速度的影響較為微弱，并且障礙物對(duì)甲烷和氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懶Ч灿兴煌Ｗ畲蟊▔毫εc火焰顏色隨氫含量的變化趨勢(shì)隨著障礙物數(shù)量的增加越來(lái)越明顯。氫氣與甲烷相比，障礙物對(duì)前者爆炸特性的影響更為明顯。

氫氣；障礙物；甲烷/空氣；爆炸特性

引 言

甲烷爆炸是煤礦重大惡性事故之一，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的威脅。為了有效防止煤礦甲烷事故的發(fā)生，許多學(xué)者都對(duì)甲烷的爆炸機(jī)理、爆炸特征及其影響因素進(jìn)行了研究，如鄭立剛等[1]研究了在管道口一端閉口一端開口條件下，點(diǎn)火源位置對(duì)甲烷-空氣預(yù)混氣爆燃超壓特征的影響。溫小萍等[2]基于火焰動(dòng)態(tài)傳播和超壓信號(hào)的高速同步采集，實(shí)驗(yàn)研究了不同湍流激勵(lì)條件下瓦斯爆炸火焰結(jié)構(gòu)與壓力波的耦合關(guān)系。然而，煤礦井下采空區(qū)、封閉火區(qū)等區(qū)域中的瓦斯除了甲烷氣體之外，還存在著一定量的氫氣[3]。同時(shí)，煤體在一定條件下也會(huì)產(chǎn)生一定量的氫氣。例如，在常溫、常壓下，自然狀態(tài)的煤體可以通過脫附、解吸等作用下釋放出一定量的氫氣。根據(jù)前人研究結(jié)果[4-7]可知，添加氫氣可以顯著改變甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，如提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?、增加預(yù)混火焰溫度及爆炸反應(yīng)活性等。顯然，這些特性的改變?cè)黾恿送咚贡ㄎｋU(xiǎn)性，因此有必要開展添加氫氣對(duì)瓦斯爆炸影響的研究。

目前學(xué)者們對(duì)添加氫氣對(duì)瓦斯爆炸的影響進(jìn)行了一系列初步研究。如李增華等[3]研究了添加氫氣會(huì)降低甲烷的爆炸下限，增強(qiáng)其爆炸危害性。Ma等[8-9]分別通過球形容器和數(shù)值模擬研究了添加氫氣對(duì)甲烷/空氣爆炸特性的影響以及在開口和密閉條件下加氫對(duì)甲烷/空氣爆炸過程的影響，研究結(jié)果表明爆炸壓力會(huì)隨著氫含量的增加而增加，并且當(dāng)量比情況下壓力最大，以及在開口條件下加氫對(duì)甲烷/空氣的影響要強(qiáng)于密閉條件。Yu等[10]利用開口管道研究了加氫對(duì)瓦斯爆炸特征的影響，研究結(jié)果表明隨著氫含量的增加氣體爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣榷紩?huì)隨之提高，并且火焰結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變化。賈寶山等[11]通過數(shù)值模擬研究了受限空間內(nèi)瓦斯爆炸與氫氣促進(jìn)機(jī)理，結(jié)果表明，隨著混合氣中氫氣含量的增加，瓦斯引爆時(shí)間越來(lái)越短，其爆炸強(qiáng)度也隨之增大，且氫氣在一定程度上對(duì)有害氣體CO、CO2、NO、NO2的生成有很大影響。Porwski等[12]實(shí)驗(yàn)研究了在障礙物管道內(nèi)氫氣-甲烷-空氣混合氣體爆炸火焰的傳播、加速和爆轟，以及決定爆燃和爆轟的區(qū)域和火焰?zhèn)鞑サ乃俣?。Salzano等[13]研究了在密閉的柱形容器內(nèi)不同含量的氫氣/甲烷混合氣體和初始?jí)毫?duì)最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和燃燒速率的影響。Woolley等[14]通過建立密閉和開放的數(shù)學(xué)模型，研究了氫氣/甲烷混合氣體的爆炸特性，結(jié)果表明加氫對(duì)氣體的爆炸壓力有顯著的影響。這些研究主要關(guān)注于添加氫氣對(duì)爆炸壓力、溫度等參數(shù)的影響，而對(duì)于預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯难芯枯^少，因此有必要開展添加氫氣對(duì)瓦斯爆炸預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯难芯俊?/p>

煤礦井下不可避免地存在各種障礙物，研究表明，障礙物的存在能夠誘導(dǎo)火焰由層流向湍流轉(zhuǎn)變，從而提高爆炸反應(yīng)速度，增加爆炸危險(xiǎn)性。潘鵬飛等[15]通過密閉管道研究了條形障礙物對(duì)瓦斯爆炸的影響，研究表明隨著障礙物數(shù)量的增加，爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈▔毫ι仙俾室约氨ㄖ笖?shù)都會(huì)隨之增加。何學(xué)秋等[16]研究了障礙物對(duì)瓦斯爆炸火焰結(jié)構(gòu)及火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀Y(jié)果表明障礙物會(huì)使火焰鋒面褶皺度增大，促進(jìn)了火焰加速。Alharbi等[17]研究了在障礙物管道內(nèi)氫氣的火焰?zhèn)鞑ィ瑢?shí)驗(yàn)表明障礙物阻塞率增大隨之氣體的峰值壓力以及變化率也會(huì)增大。除此之外，根據(jù)Ibrhaim等[18]的研究可知障礙物會(huì)對(duì)爆炸波的誘導(dǎo)、疊加、反射規(guī)律以及引起爆轟產(chǎn)生很大的影響。王海賓等[19]研究了水平管道內(nèi)障礙物對(duì)爆炸壓力的影響，結(jié)果表明隨著障礙物阻塞率的增加爆炸壓力會(huì)相應(yīng)增大，而改變障礙物的間距則對(duì)爆炸過程并無(wú)太大影響。余明高等[20]分別研究了交錯(cuò)障礙物對(duì)瓦斯爆炸特征的影響，認(rèn)為交錯(cuò)障礙物明顯增強(qiáng)了火焰的形變以及提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫?。林柏泉等[21]研究了障礙物對(duì)爆炸火焰以及爆炸波的影響，認(rèn)為障礙物增強(qiáng)了火焰?zhèn)鞑サ耐牧鳜F(xiàn)象以及爆炸波的變化幅度。尉存娟等[22]和Hall等[23]研究了管道內(nèi)障礙物數(shù)量對(duì)瓦斯爆炸過程的影響，前者研究表明爆炸壓力及其上升速率都隨障礙物數(shù)量增加呈先增大后減小的變化規(guī)律，而火焰?zhèn)鞑ニ俣葎t隨障礙物數(shù)量增加單調(diào)遞增，但其增幅較?。缓笳邉t認(rèn)為在一定范圍內(nèi)，障礙物數(shù)量越多爆炸壓力越大。Gubba等[24]綜合研究了障礙物距離點(diǎn)火位置、障礙物數(shù)量以及障礙物間距對(duì)預(yù)混氣體爆炸的影響。Park等[25]在開放的燃燒室內(nèi)研究了不同長(zhǎng)徑比和阻塞率條件下，多組障礙物對(duì)氣體最大爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。郭丹彤等[26]運(yùn)用流體力學(xué)軟件AutoRea Gas建立不同阻塞率和不同結(jié)構(gòu)的障礙物爆炸模型，模擬分析不同布置情況對(duì)氣體爆炸壓力場(chǎng)的影響程度和規(guī)律，研究表明同種障礙物結(jié)構(gòu)下，隨著阻塞率的增加，氣體爆炸壓力的增加程度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化情況；相同阻塞率下，立體障礙物對(duì)氣體爆炸壓力場(chǎng)產(chǎn)生的影響明顯大于平面障礙物。

然而，以上研究中還存在著一些缺陷，其研究對(duì)象主要還局限于甲烷/空氣等單一氣體，卻忽略了瓦斯中氫氣的存在。因此，本研究搭建了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，就障礙物管道內(nèi)添加氫氣對(duì)瓦斯爆炸特性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究對(duì)象主要為爆炸預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳌㈩A(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣燃氨▔毫Φ?，以期?duì)瓦斯爆炸的防治起到一定的理論幫助。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究障礙物管道內(nèi)加氫對(duì)甲烷爆炸特性的影響，搭建了有關(guān)在障礙物管道內(nèi)測(cè)試當(dāng)量比為1時(shí)不同體積分?jǐn)?shù)混合氣體爆炸特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由水平管道、配氣系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置、光電測(cè)量系統(tǒng)組成。其中，管道是實(shí)驗(yàn)的主體部分，所有實(shí)驗(yàn)都在此管道內(nèi)進(jìn)行。管道由截面為100 mm×100 mm，高為500 mm，管壁厚度為20 mm的有機(jī)玻璃制成，抗壓2 MPa以上。管道底部由不透鋼鋼板封閉，并且在鋼板上開了3個(gè)小孔，這是為了安置進(jìn)氣閥門、壓力傳感器和點(diǎn)火器。管道頂部由保鮮薄膜封閉，起到泄爆作用；配氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、甲烷氣體瓶、氫氣氣體瓶、流量控制器以及三通管道構(gòu)成；壓力傳感器采用的是上海銘動(dòng)的高頻壓力傳感器，測(cè)試范圍為-0.1～0.1 MPa，然后通過數(shù)據(jù)采集卡采集，采集速率為15 kHz；點(diǎn)火裝置由電子點(diǎn)火器、穩(wěn)壓電源和點(diǎn)火控制器組成，電子點(diǎn)火器工作電壓為6 V；為了便于觀測(cè)，光電傳感器安置在管道側(cè)壁的下方。除此之外，為了確保實(shí)驗(yàn)的安全性，本實(shí)驗(yàn)是在室外進(jìn)行的。同時(shí)，為了確?；鹧鎴D像的準(zhǔn)確性和清晰度，實(shí)驗(yàn)一般在晚上進(jìn)行?；鹧?zhèn)鞑ミ^程由分辨率為1024×1024的德國(guó)LaVision高速攝像儀以5000 frame·s-1的速度進(jìn)行高速拍攝，以捕捉瓦斯爆炸過程中的火焰顏色和火焰形狀。

為了對(duì)比分析不同數(shù)量的障礙物管道內(nèi)加氫對(duì)爆炸特性的影響，本實(shí)驗(yàn)分別在4個(gè)工況下進(jìn)行。其中，工況1為空管，工況2為1組障礙物管道，工況3為2組障礙物管道，工況4為3組障礙物管道，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)工況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別對(duì)4個(gè)工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，其中障礙物的阻塞率為0.3。實(shí)驗(yàn)過程中，先對(duì)氣體進(jìn)行配氣，其中燃?xì)庵袣錃怏w積分?jǐn)?shù)分別為0、25%、50%、75%和100%。通過流量控制器調(diào)配氣體的流量，經(jīng)三通閥將氣體預(yù)混通入管道內(nèi)，在管道側(cè)壁上方靠近頂口處設(shè)有排氣口。依據(jù)文獻(xiàn)[11]，調(diào)節(jié)好通氣流量，通氣總量大約為4倍的容器體積，通氣時(shí)間持續(xù)約為6～7 min，以保證排盡管道內(nèi)原有的氣體以及管道內(nèi)的氣體均勻混合。通氣完畢后，關(guān)閉流量控制器的電源以及管道進(jìn)出口閥門。待氣體靜止大約30 s后，點(diǎn)火引爆，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

氫氣的體積分?jǐn)?shù)表示為

燃?xì)猱?dāng)量比表示為

式中，/為實(shí)際通入的燃?xì)馀c空氣體積比；(/)stoic表示為燃?xì)馀c空氣的化學(xué)計(jì)量比。當(dāng)量比小于1為貧燃，當(dāng)量比為1是化學(xué)當(dāng)量比，當(dāng)量比大于1為富燃。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)爆炸壓力的影響

圖2表示在不同工況下不同氫含量與最大爆炸壓力的變化曲線。從圖中可以看出，無(wú)論是空管還是障礙物管道，加氫對(duì)氣體的最大爆炸壓力有著很明顯的影響，隨著氫含量的增加而增大，并且上升趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。例如，在工況3下，氫含量為0時(shí)，最大爆炸壓力為7.02 kPa。氫含量為25%時(shí)，最大爆炸壓力為10.65 kPa，比純甲烷提高了51.7%。氫含量為50%時(shí)，最大爆炸壓力為16.75 kPa，比純甲烷提高了137%。氫含量為75%時(shí)，最大爆炸壓力為32.3 kPa，比純甲烷提高了360.1%。氫含量為100%時(shí)，最大爆炸壓力為66.23 kPa，比純甲烷提高了843%。這是由于加氫可以提高反應(yīng)中自由基的濃度[11]，加快了預(yù)混火焰的燃燒反應(yīng)速率并增加了反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量，從而促進(jìn)了氣體爆炸。

圖2 不同工況下氫含量與最大爆炸壓力的變化曲線

從圖2中也可以看出，同一情況下，最大爆炸壓力隨著障礙物數(shù)量的增加而增加。例如，氫含量為0時(shí)，工況1的最大爆炸壓力為5.01 kPa。然而，在障礙物的干擾作用下，火焰湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，爆炸壓力隨之增大[14]。工況2的最大爆炸壓力比工況1提高了22%，為6.11 kPa。工況3比工況1提高了40%，最大爆炸壓力為7.02 kPa。工況4比工況1提高了60%，最大爆炸壓力為8 kPa。同理，氫含量為25%、50%、75%和100%時(shí)，其余3個(gè)工況的最大爆炸壓力相比于工況1都會(huì)有所提高。然而不同的是，氫含量為75%和100%時(shí)，最大爆炸壓力隨障礙物數(shù)量的增長(zhǎng)幅度要明顯大于其余3種體積分?jǐn)?shù)。由此說明，氫含量小于50%時(shí)，最大爆炸壓力隨障礙物數(shù)量的上升趨勢(shì)較為微弱，而氫含量大于50%時(shí)，最大爆炸壓力隨障礙物數(shù)量的上升則較為明顯。換言之，障礙物對(duì)氫氣爆炸壓力的影響要強(qiáng)于它對(duì)甲烷的影響。

分析上述原因：由于管道內(nèi)障礙物的存在，火焰波陣面會(huì)發(fā)生湍流現(xiàn)象，增大了火焰與氣體的接觸面積，前驅(qū)沖擊波對(duì)未燃混合物的加熱和壓縮的正反饋機(jī)理越顯著，使爆炸反應(yīng)速度和能量釋放速度隨之加快，氣體爆炸壓力和爆炸指數(shù)會(huì)隨之增大。障礙物數(shù)量的增加，湍流效應(yīng)增強(qiáng)，隨之爆炸壓力和爆炸指數(shù)也會(huì)增大[14]。其中，根據(jù)文獻(xiàn)[27]可知，爆炸指數(shù)為工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)和物質(zhì)系數(shù)的乘積。爆炸指數(shù)與危險(xiǎn)程度呈正比，爆炸指數(shù)越大，危險(xiǎn)程度越高。另外，隨著氫含量的增加火焰燃燒反應(yīng)速率增強(qiáng)[10]。同時(shí)在障礙物的擾動(dòng)作用下火焰鋒面褶皺現(xiàn)象加強(qiáng)，從而極大促進(jìn)了火焰燃燒反應(yīng)速率，爆炸壓力也就隨之明顯增大。因此障礙物對(duì)氫氣爆炸壓力的影響更為突出。

由圖2還可以看出，就整體而言，隨著障礙物數(shù)量的增加曲線斜率越來(lái)越大。由此表明，最大爆炸壓力隨氫含量的上升趨勢(shì)會(huì)隨著障礙物數(shù)量增加越來(lái)越明顯。在工況1下，氫含量從0逐漸變化到100%，最大爆炸壓力的平均增長(zhǎng)率為62.2%。由于障礙物的激勵(lì)作用[28]，在工況2下，氫含量從0逐漸變化到100%，最大爆炸壓力的平均增長(zhǎng)率比工況1提高了6.23%，為68.43%。同理，在工況3和工況4下，氫含量從0逐漸變化到100%，最大爆炸壓力的平均增長(zhǎng)率相比于工況1也都有所提高，分別提高了13.8%和20.6%，為76%和82.8%。

圖3為空管和兩組障礙物管道內(nèi)不同氫含量的時(shí)間-爆炸壓力關(guān)系。由圖中可以看出，無(wú)論是在空管還是障礙物管道內(nèi)，氫含量小于50%時(shí)會(huì)出兩次壓力峰值，分別是泄爆壓力和最大爆炸壓力。而氫含量大于50%時(shí)則只出現(xiàn)了一次壓力峰值，也就是最大爆炸壓力。這是由于爆炸過程中薄膜破裂，部分未燃?xì)怏w從泄口排出，這就導(dǎo)致了壓力降低[9]，從而出現(xiàn)了第1次壓力峰值，也就是泄爆壓力。隨著火焰的傳播，燃燒反應(yīng)速率漸漸超過了泄爆速率，壓力開始上升，直到燃燒反應(yīng)速率等于泄爆速率時(shí)，第2次壓力峰值出現(xiàn)，也就是最大爆炸壓力。然而，隨著氫含量的增加，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅瑥亩鴮?dǎo)致燃燒反應(yīng)與泄爆之間的速率差增大[11]。從圖中也可以看出，隨著氫含量的增加，到達(dá)最大壓力峰值的時(shí)間縮短。但是，最大壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻并不完全與障礙物數(shù)量有關(guān)。圖4為氫含量為50%時(shí)不同工況下時(shí)間-爆炸壓力曲線關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，工況4時(shí)到達(dá)最大壓力峰值時(shí)刻最晚，1組障礙物管道時(shí)到達(dá)最大壓力峰值時(shí)刻最早。這就說明最大壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻也與火焰-湍流耦合效應(yīng)發(fā)生時(shí)刻有關(guān)。

圖3 工況1與工況3下不同氫含量的時(shí)間-爆炸壓力關(guān)系

圖4 氫含量為50%時(shí)不同障礙物管道內(nèi)時(shí)間-爆炸壓力關(guān)系

2.2 對(duì)火焰顏色和火焰形狀的影響

圖5為不同工況下不同氫含量的爆炸火焰圖像。從圖中可以看出，無(wú)論是空管還是障礙物管道，隨著氫含量的增加火焰變得越來(lái)越明亮且顏色也發(fā)生了變化。這主要是由于隨著氫含量的增加反應(yīng)氣體中自由基的濃度隨之增加，以及不同體積分?jǐn)?shù)的氫氣的光譜不同所導(dǎo)致的。除此之外，在空管和1組障礙物管道內(nèi)，氫含量為50%時(shí)火焰顏色發(fā)生顯著變化變?yōu)榧t色。在2組和3組障礙物管道內(nèi)，氫含量為25%時(shí)火焰顏色就變?yōu)榱思t色，氫含量為100%時(shí)火焰亮度變得十分耀眼。同時(shí)在障礙物管道內(nèi)火焰繞過障礙物后，火焰顏色會(huì)慢慢發(fā)生變化[29]。以上現(xiàn)象說明了由于障礙物的存在，火焰湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，火焰鋒面表面積增大，火焰內(nèi)部流場(chǎng)各反應(yīng)物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)能增大，從而引起燃燒反應(yīng)速率加快和熱釋放速率加快。因此隨著障礙物數(shù)量的增加火焰顏色也隨之變化，并且火焰顏色隨氫含量的變化趨勢(shì)也越明顯。同時(shí)，由于甲烷和氫氣發(fā)生燃燒反應(yīng)時(shí)自由基濃度以及其光譜不同導(dǎo)致純甲烷和純氫在不同工況時(shí)火焰顏色的變化有明顯的區(qū)別，純甲烷時(shí)火焰顏色隨障礙物數(shù)量的增加由黃變紅，純氫氣時(shí)火焰顏色隨障礙物數(shù)量的增加由紅變得十分明亮耀眼。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，燃?xì)鉃榧兗淄闀r(shí)隨著障礙物數(shù)量的增加，火焰顏色的變化較為微弱，但隨著氫含量的增加障礙物對(duì)火焰顏色的影響則較為明顯。這就表明了對(duì)于火焰顏色的影響，障礙物對(duì)氫氣的作用更為突出。這是由于隨著氫含量的增加火焰鋒面會(huì)出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，在障礙物作用下褶皺現(xiàn)象更為明顯，大大增加了火焰鋒面?zhèn)髋c氧氣的接觸面積，從而加快了火焰反應(yīng)速率和熱釋放速率，火焰顏色變化明顯。

由圖5也可以看出，障礙物和氫氣都會(huì)對(duì)火焰的形狀產(chǎn)生很大的影響。隨著氫含量的增加火焰鋒面會(huì)出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。例如在空管內(nèi)，氫含量小于50%時(shí)火焰鋒面較為平滑，當(dāng)氫含量大于50%時(shí)火焰鋒面開始有褶皺出現(xiàn)。在障礙物管道內(nèi)，同一條件下，剛剛開始時(shí)火焰形狀與空管內(nèi)的火焰形狀一致。但當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ秸系K物到附近時(shí)，由于障礙物的存在，迫使火焰向中心發(fā)展，火焰開始發(fā)生形變。然后火焰鋒面從兩個(gè)障礙物之間的間隙噴出。當(dāng)火焰穿過障礙物后，火焰向兩側(cè)發(fā)展，火焰鋒面變寬，鋒面表面積增大[30]。當(dāng)火焰大約傳至管道中部時(shí)，火焰鋒面開始出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。以上現(xiàn)象說明了隨著障礙物數(shù)量的增加火焰鋒面會(huì)出現(xiàn)明顯的褶皺現(xiàn)象，并且火焰形變也會(huì)越來(lái)越明顯。文獻(xiàn)[31]中表示火焰鋒面受到干擾后會(huì)改變其穩(wěn)定狀態(tài)，從而使火焰鋒面產(chǎn)生褶皺。燃燒學(xué)認(rèn)為光滑的層流火焰表面表現(xiàn)出來(lái)任何變化都認(rèn)為是火焰湍流現(xiàn)象[26]。因此火焰鋒面因障礙物干擾或其他因素影響所導(dǎo)致的火焰鋒面褶皺現(xiàn)象就是火焰湍流化的表現(xiàn)。

圖5 不同工況下不同氫含量的爆炸火焰圖像

2.3 對(duì)火焰速度的影響

已知管道長(zhǎng)度為500 mm，根據(jù)高速攝像機(jī)記錄到的火焰從點(diǎn)火到管口所用的時(shí)間，由此可以計(jì)算得到火焰平均傳播速度。火焰平均傳播速度可以展現(xiàn)出在不同工況下以及不同氫含量條件下火焰整體的速度變化。圖6所示的是不同工況下不同氫含量與火焰平均傳播速度的變化曲線。從圖中可以看出，在同一條件下，隨著障礙物數(shù)量的增加火焰平均傳播速度越來(lái)越快。例如，當(dāng)氫含量為0時(shí)，工況1的火焰平均傳播速度為11.63 m·s-1。然而，在障礙物的干擾下，火焰鋒面出現(xiàn)褶皺，增大了火焰鋒面的表面積，火焰的傳播速度隨之增大。工況2的火焰平均傳播速度就比工況1提高了17.8%，為13.70 m·s-1。工況3比工況1提高了21.1%，為14.08 m·s-1。工況4比工況1高了36.5%，為15.87 m·s-1。同理，當(dāng)氫含量為25%、50%、75%和100%時(shí)，相較于工況1，其余3個(gè)工況的火焰平均都會(huì)有所提高，并且隨著障礙物數(shù)量的增加火焰平均傳播速度越來(lái)越大。除此之外，在同一工況下，隨著氫含量的增加火焰平均傳播速度也越來(lái)越快。例如，在工況3下，氫含量為0時(shí)，火焰平均傳播速度為14.08 m·s-1。然而，隨著氫含量的增加火焰燃燒反應(yīng)速率和熱釋放速率加快，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫簿碗S之增大。氫含量為0.25時(shí)，火焰平均傳播速度為17.54 m·s-1，比純甲烷提高了24.6%。氫含量為50%時(shí)，火焰平均傳播速度為23.26 m·s-1，比純甲烷提高了65.2%。氫含量為75%時(shí)，火焰平均傳播速度為41.67 m·s-1，比純甲烷提高了196%。氫含量為100%時(shí)，火焰平均傳播速度為83.33 m·s-1，比純甲烷提高了492%。同理，其余3個(gè)工況下，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔?huì)隨著氫含量的增加而增大。

對(duì)比圖6和圖2還可以發(fā)現(xiàn)，相較于障礙物對(duì)最大爆炸壓力的影響，火焰平均傳播速度隨障礙物數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為微弱。這就表明障礙物對(duì)火焰平均傳播速度的影響較小。這是由于火焰在穿越障礙物時(shí)會(huì)有部分能量損失[22]，從而導(dǎo)致了部分速度的損失。另一方面火焰在穿過障礙物之后，會(huì)向兩邊拉伸，使其縱向速度減小[32]。

圖6 不同工況下氫含量與火焰平均傳播速度的變化曲線

根據(jù)高速攝像機(jī)記錄得到的火焰鋒面位置隨時(shí)間的變化，以及測(cè)量出的從點(diǎn)火到火焰鋒面位置的距離，由此可以計(jì)算得出火焰?zhèn)鞑ニ俣??；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤梢愿谜宫F(xiàn)出隨著火焰鋒面位置變化，火焰速度的變化情況。障礙物對(duì)含不同氫含量的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懶Ч兄黠@的不同。圖7為氫含量分別為0、50%以及100%時(shí)，不同工況下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的曲線關(guān)系。從圖中可知，在相同條件下，火焰?zhèn)鞑コ跗?個(gè)工況的火焰速度基本一致。氫含量為0和50%時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著障礙物的添加出現(xiàn)了速度峰值，并且峰值出現(xiàn)的次數(shù)與障礙物數(shù)量是一致的。速度峰值依次出現(xiàn)在距離管道底部100～150、200～250以及300～350 mm。然而，氫含量為100%時(shí)，4個(gè)工況的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x都基本呈線性關(guān)系，隨著火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的增加火焰速度越來(lái)越快。分析上述原因：火焰經(jīng)過障礙物時(shí)，火焰的流通面積縮小，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?。?dāng)火焰繞過障礙物后被湍流卷吸而發(fā)生橫向拉伸，致使火焰縱向速度減小[32]。之后，在下一個(gè)障礙物的作用下，火焰再次獲得加速，如此下去，火焰速度不斷提高。但是，純氫的火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅？欤梢詷O快地通過障礙物。

圖7 不同工況下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）加氫和障礙物對(duì)最大爆炸壓力、火焰顏色和火焰?zhèn)鞑ニ俣榷紩?huì)產(chǎn)生一定的影響，隨著氫含量和障礙物數(shù)量的增加而增加，并且火焰形狀也會(huì)隨之發(fā)生變化。除此之外，純甲烷和純氫在不同工況時(shí)火焰顏色變化有明顯的區(qū)別。

（2）當(dāng)氫含量小于50%，最大爆炸壓力隨障礙物數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為微弱；當(dāng)氫含量大于50%時(shí)，最大爆炸壓力隨障礙物數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯。同樣地，當(dāng)氫含量為0時(shí)，火焰顏色隨障礙物數(shù)量的變化趨勢(shì)較為微弱，但隨著氫含量的增加障礙物對(duì)其影響則越來(lái)越明顯。以上表明障礙物對(duì)氫氣爆炸特性的影響更為明顯。除此之外，就整體而言，隨著障礙物數(shù)量的增加，最大爆炸壓力和火焰顏色隨氫含量的變化趨勢(shì)也越明顯。然而，火焰平均傳播速度隨障礙物數(shù)量的上升趨勢(shì)則較為微弱，這就表明障礙物對(duì)火焰平均傳播速度的影響較小。

（3）障礙物對(duì)甲烷和氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懶Ч泻艽蟛煌?，甲烷在障礙物作用下會(huì)出現(xiàn)速度峰值。然而，氫氣在障礙物作用下與空管的速度變化趨勢(shì)基本一致，都隨著火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x不斷增大。

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Effects of hydrogen addition on explosion characteristics of gas under condition of obstacles

YU Minggao1,2, YUAN Chenqiao1, ZHENG Kai2

(1School of Safety Science Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, China;2State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The effects of hydrogen addition on explosion characteristics of gas under the condition of obstacles were investigated. The hydrogen fraction in the methane-hydrogen mixture was varied from 0 to 1 at equivalence ratio of 1. The result indicated that the maximum pressure and propagation speed of flame both increased with increasing fraction of hydrogen and obstacle quantity. In addition, the hydrogen addition can also change flame color and flame front. However, the influence of the obstacle quantity on average propagation velocity of flame was slight, and the effects of the obstacle quantity on flame propagation speed of methane as well as hydrogen were different. Increasing trend of the maximum pressure and flame color with the fraction of hydrogen was more and more obvious as the obstacle quantity increased. The influence of the obstacle quantity on explosion characteristics of hydrogen was more obvious than that of methane.

hydrogen; obstacle; methane/air; explosion characteristics

date: 2016-05-11.

Prof. YU Minggao, mg_yu@126.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20160645

TD 712

A

0438—1157（2016）12—5311—09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1361205，51574111）；煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題重點(diǎn)項(xiàng)目（2011DA 105287*ZD201401）。

supported by the Natural National Science Foundation of China (U1361205, 51574111).

2016-05-11收到初稿，2016-09-05收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：余明高（1963—），男，教授。