泡沫金屬對甲烷/空氣爆燃火焰的淬熄實驗研究*

陳 鵬，孫永奪

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083)

數(shù)字出版日期： 2017-07-14

0 引言

可燃性氣體的爆炸事故在各類煤礦井下、氣體管道輸運、存儲等場所造成了嚴(yán)重的財產(chǎn)和人員損失，關(guān)于如何抑制、阻隔爆炸的傳播一直是一個熱門的研究課題。然而,由于爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、壓力瞬間提升較高，對其抑制控制存在一定難度。

針對可燃性氣體爆炸事故的預(yù)防控制，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行過一系列研究。喻健良等[1]通過添加惰性氣體研究其對爆炸火焰的抑制作用，發(fā)現(xiàn)不同種類惰性氣體其熱擴(kuò)散率越大，則惰性氣體的淬熄性能越好；顧濤等[2]研究不同安裝距離網(wǎng)狀金屬材料對爆炸火焰波的阻隔作用，實驗發(fā)現(xiàn)金屬阻隔物距點火源越近對垂直火焰波的阻隔作用越明顯；賀洪文等[3]在爆炸實驗管道內(nèi)安裝鋁合金網(wǎng)狀材料后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)爆炸壓力相比于空管道明顯降低。同時，鋁合金材料也可吸收燃燒釋放出的熱量并散熱，從而達(dá)到抑爆效果。許多針對金屬絲網(wǎng)抑制爆炸的實驗研究[4-7]發(fā)現(xiàn)金屬絲網(wǎng)能夠用于減壓吸波，當(dāng)層數(shù)達(dá)到一定時可以使火焰發(fā)生淬熄，并且抑制效果還與金屬絲的直徑、目數(shù)等參數(shù)有關(guān)；郭長銘等[8]實驗研究發(fā)現(xiàn)，金屬絲網(wǎng)類材料對橫波有一定的吸收作用，同時又能加強流動的湍流程度；Chen等[9]實驗研究了管道壁面鋪設(shè)泡沫金屬材料對爆炸火焰特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道壁面鋪設(shè)泡沫金屬材料后能夠顯著地降低爆炸壓力，泡沫金屬孔目數(shù)越大其吸波減壓效果越好，最大減壓達(dá)到40%；聶百勝等[10]研究比較了不同泡沫陶瓷對瓦斯爆炸過程的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)泡沫陶瓷的微觀三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對淬熄瓦斯爆炸火焰,抑制爆炸應(yīng)力峰值和爆炸聲波起主要作用；魏春榮等[11-12]研究了泡沫金屬、泡沫陶瓷以及金屬絲網(wǎng)材料的抑爆特性，并建立了基于熄爆參數(shù)的多孔材料阻隔爆效果綜合定量評估數(shù)學(xué)模型，用于阻隔爆效果評估；周凱元等[13]研究了丙烷空氣預(yù)混氣體爆燃火焰在狹縫中的傳播，實驗發(fā)現(xiàn)火焰發(fā)生淬熄與狹縫直徑以及火焰速度等參量有關(guān)，并對火焰在狹縫中的淬熄機理進(jìn)行了理論分析。

許多研究者已經(jīng)對管道內(nèi)如何抑制爆炸降低壓力的技術(shù)手段進(jìn)行了充分地實驗研究，但是對有效阻隔淬熄爆炸火焰的研究較少。本文選用不用孔目數(shù)的金屬多孔材料板，研究其對爆炸火焰的阻隔淬熄作用和規(guī)律，以期能夠為防隔爆研究和設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)

圖1為自主設(shè)計的甲烷/空氣預(yù)混氣體爆燃實驗系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由定容燃燒管道、高速攝影系統(tǒng)、混氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)等組成。實驗管道由15 mm厚的TP304鋼制作而成，內(nèi)部尺寸為500 mm×110 mm×80 mm。為提供高速攝影所需光路，管道前后兩側(cè)由石英玻璃板制成，以使高速相機記錄下管道內(nèi)爆燃火焰?zhèn)鞑ミ^程，高速攝像機的拍攝速度設(shè)置為960幀/s。實驗中的點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)由同步控制器進(jìn)行同步控制。實驗氣體中甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%，管道的初始溫度和壓力分別為298 K和0.1 MPa。可燃?xì)獗桓吣茳c火器點燃之前，靜置60 s，點火電極安裝在管道左端的法蘭上，點火器點火能量是通過電容器充放電實施的，調(diào)節(jié)充電電壓來控制點火能量，在實驗中選用3J點火能量。實驗中使用的多孔材料，材質(zhì)為金屬泡沫鎳，共4種孔目數(shù)(20，40，60，80 PPI)，圖2中所示為60 PPI的多孔材料結(jié)構(gòu)。多孔材料厚度為3 mm，面積110 mm×80 mm，多孔材料板的上下側(cè)固定在2個小鋼片卡槽里，卡槽通過螺絲與實驗管道固定，沿管道橫截面安裝在距點火點210 mm處。

1.高能點火器；2.高速攝像機；3.泄壓口；4.數(shù)據(jù)采集儀； 5.點火電極；6.壓力傳感器；7.同步控制器；8.計算機； 9.真空泵；10.混氣罐。圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch of experimental apparatus

圖2 多孔材料及其局部放大Fig.2 Porous materials and its partial enlargement

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰?zhèn)鞑ミ^程

圖3是實驗中甲烷/空氣爆燃火焰穿過4種孔目數(shù)多孔材料所得到的高速攝影圖片，實驗重復(fù)了3次以上保證實驗結(jié)果的可靠性。

圖3 高速攝影機拍攝的火焰發(fā)展Fig.3 High speed images of flame evolutions

實驗結(jié)果顯示，只有80 PPI的多孔材料板成功阻隔爆炸火焰向前傳播。在火焰穿過多孔材料板之前，4組工況下的火焰形態(tài)都經(jīng)歷了相同的變化階段。0～12 ms, 半球型階段[14]，管道內(nèi)未燃?xì)怏w被點燃后，受左側(cè)壁面限制火焰以半球形向右傳播，火焰面光滑以近似層流燃燒狀態(tài)傳播。12～19 ms, 指形火焰階段[14]，火焰受四周壁面限制呈指形向前傳播，傳播速度相對增加。在半球型階段和指形火焰階段，不同孔目數(shù)的多孔材料對火焰發(fā)展影響很?。恢?，當(dāng)指形火焰尖端到達(dá)多孔材料板時，各組火焰形態(tài)出現(xiàn)差異，不同孔目數(shù)的多孔材料對火焰的阻隔效果出現(xiàn)不同的結(jié)果。在20 PPI工況下，指形火焰尖端到達(dá)多孔材料板后直接穿過，且火焰穿過之后湍流程度明顯增強，多孔材料板對爆燃火焰幾乎沒有阻隔作用；在40 PPI工況下，指形火焰尖端到達(dá)多孔材料板后不能完全穿過，在多孔材料板后方出現(xiàn)非常微弱的火焰，然后逐漸點燃后方未燃?xì)怏w；在60 PPI工況下，指形火焰尖端到達(dá)多孔材料板后，受多孔材料板限制不能立即穿過，左側(cè)火焰呈平面形充滿左側(cè)管道，之后右側(cè)出現(xiàn)微弱火焰，并最終點燃右側(cè)未燃?xì)怏w；在80 PPI工況下，指形火焰尖端到達(dá)多孔材料板后發(fā)生淬熄，火焰只在多孔材料板左側(cè)發(fā)展，右側(cè)未燃?xì)怏w未被點燃，成功起到防隔爆作用。綜上可知，多孔材料板的孔目數(shù)越大對爆燃火焰的阻隔效果越好，能夠?qū)崿F(xiàn)火焰淬熄。

2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

圖4是4種孔目數(shù)多孔材料下的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋褂肅AD軟件測量高速圖片中火焰前鋒到管道左端點火處的距離，得到火焰前鋒到達(dá)位置隨時間變化的關(guān)系，然后對火焰前鋒到達(dá)位置對時間求一階導(dǎo)數(shù)得到火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖4 火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.4 Flame tip speed versus time

由圖可知，在火焰?zhèn)鞑ピ缙陔A段，對應(yīng)于半球型階段和指形階段，不同孔目數(shù)工況下爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣冉埔恢拢鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍黾虞^為緩慢，在這個階段4種孔目數(shù)的多孔材料板對火焰的傳播速度影響并不明顯。當(dāng)爆燃火焰?zhèn)鞑サ蕉嗫撞牧习鍟r，由于受到多孔材料板的阻隔作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始出現(xiàn)下降。不同PPI的多孔材料對火焰的減速程度不同，20，40，60 PPI的多孔材料板，孔目數(shù)越大使火焰降速越多。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档阶畹退俣群笤俅紊仙?，此時對應(yīng)于多孔材料板后方的未燃?xì)怏w被點燃向后傳播。而在80 PPI的多孔材料板下，火焰不能穿過，實現(xiàn)阻隔作用。

表1是爆燃火焰?zhèn)鞑サ蕉嗫撞牧习逯暗淖畲髠鞑ニ俣群痛┻^多孔材料板被阻隔時的最小速度，可以看出，在到達(dá)多孔材料板之前孔目數(shù)越小所達(dá)到的火焰最大速度越大。當(dāng)火焰穿過多孔材料板時，受到其阻隔作用，20 PPI的多孔材料板使爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?5%，40 PPI工況下火焰速度下降75%，60 PPI工況時下降了96%，對火焰?zhèn)鞑プ韪粜Ч詈玫氖?0 PPI的多孔材料板，使火焰速度下降的最多，達(dá)到100%，完全淬熄。由此可知，多孔材料的孔目數(shù)越大，能夠使爆燃火焰在穿過多孔材料時速度降低越多，甚至達(dá)到使火焰淬熄的效果。管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ナ且粋€復(fù)雜過程受多種作用機制共同影響的現(xiàn)象，火焰和沖擊波相互作用相互影響。火焰陣面燃燒強度的提高會增強壓力波，壓力波又會作用于火焰面使其失穩(wěn)[15-16]，改變湍流燃燒強度。障礙物的存在能夠顯著提高管道內(nèi)爆燃壓力，在此實驗中多孔材料的存在不僅有障礙物的作用，而且其內(nèi)部的微孔通道對爆燃火焰有很大的影響。由實驗結(jié)果可以看出，爆燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦灾饕诮咏痛┻^多孔材料時表現(xiàn)出明顯的差異，因為多孔材料不同的孔密度對火焰抑制淬熄作用不同。

表1 各組實驗下火焰速度下降量

基于以上分析可見，多孔材料對爆燃火焰的抑制作用與多孔材料的孔密度有關(guān)，多孔材料板孔數(shù)目越大其微孔通道越多直徑越細(xì)，火焰與多孔材料之間的接觸越充分。溫小萍等[5]通過狹縫實驗發(fā)現(xiàn)，火焰在微孔通道內(nèi)的淬熄距離與初始速度以及孔隙直徑有關(guān)，初始速度和孔隙直徑越小，淬熄距離越短則越易于使火焰發(fā)生淬熄。多孔材料的孔目數(shù)越大，其孔隙直徑就越小，其對爆燃火焰的淬熄效果則越強。另一方面，多孔材料對火焰的淬熄影響還與火焰在多孔材料內(nèi)的停留時間有關(guān)[17]，在進(jìn)入多孔材料前火焰初速度越大其在多孔材料內(nèi)的停留時間越短，則火焰與多孔材料相互作用越弱，火焰更難以發(fā)生淬熄。

通過不同PPI的多孔材料板對爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懣梢缘弥?，PPI越大對火焰的阻隔作用越強，火焰越難以穿過多孔材料。由圖2中展示的多孔材料板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)，多孔材料板是由很多細(xì)小的網(wǎng)狀孔隙通道組成，PPI越大其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的通道越細(xì)密，相鄰?fù)ǖ篱g的距離很小。當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ蕉嗫撞牧习搴?，火焰會分開為無數(shù)個細(xì)小的射流火焰進(jìn)入到多孔材料的孔隙通道內(nèi)。此時火焰就會和多孔材料發(fā)生相互作用，主要有器壁效應(yīng)和散熱效應(yīng)[18]。一方面，火焰進(jìn)入微孔通道內(nèi)，發(fā)生反應(yīng)的自由基與金屬材料發(fā)生碰撞幾率增多，使得參加反應(yīng)的自由基減少化學(xué)反應(yīng)被削弱；另一方面，燃燒釋放的熱量相當(dāng)一部分被金屬材料吸收，使得火焰溫度降低反應(yīng)強度下降。同時火焰?zhèn)鞑ヒ鹂紫吨械目諝庹駝釉斐刹糠致暷鼙晦D(zhuǎn)變?yōu)闊崮??；鹧嬖诠艿纼?nèi)傳播過程中，管道壁面對火焰也存在器壁效應(yīng)和和散熱效應(yīng)，在一定程度上對燃燒反應(yīng)有所抑制，但由于管壁在徑向上對火焰的傳播限制，相比于多孔材料在軸向火焰?zhèn)鞑ド系囊种埔约岸嗫撞牧蟽?nèi)部更為復(fù)雜的微孔結(jié)構(gòu)，可以把不同工況下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊慕档椭饕獨w結(jié)于多孔材料的抑制作用，且各實驗下只改變多孔材料的孔密度。因此多孔材料內(nèi)部微孔的密度越大，使得器壁效應(yīng)和冷壁效應(yīng)的作用越強，可以推斷，多孔材料孔目數(shù)越大其對爆燃火焰的阻隔抑制作用越好，當(dāng)火焰與多孔材料內(nèi)微孔相互作用造成對燃燒反應(yīng)的抑制作用大于自維持作用，就會發(fā)生淬熄。

3 結(jié)論

1)在火焰?zhèn)鞑ピ缙陔A段，不同孔目數(shù)的多孔材料對火焰的影響很小，爆燃火焰都經(jīng)歷了半球形和指形火焰階段。

2)爆燃火焰穿過多孔材料板時，不同孔目數(shù)的多孔材料對火焰的影響作用不同，PPI越大火焰越難以穿過，80 PPI下火焰完全淬熄。

3)爆燃火焰進(jìn)入多孔材料微孔內(nèi)與其相互作用，主要機制為器壁效應(yīng)和散熱效應(yīng)，其對燃燒的抑制作用大于自維持作用就會發(fā)生淬熄。

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