不同湍流狀態(tài)對乙醇蒸氣近爆炸下限火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響

譚迎新， 謝溢月， 霍雨江， 韓 意

(1. 中北大學 環(huán)境與安全工程學院， 山西 太原 030051； 2. 中國人民解放軍63961部隊， 北京 100012)

0 引 言

乙醇作為一種常溫常壓下易燃、 易揮發(fā)的可燃液體燃料， 在國防化工、 食品工業(yè)、 醫(yī)療衛(wèi)生、 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用. 但其在給工業(yè)制造提供便捷的同時， 也帶來了巨大的安全隱患[1-3]. 目前國內(nèi)外主要開展的是相對靜止條件下乙醇蒸氣的燃爆特性， 而許多情況下乙醇蒸氣的燃爆是在流動狀態(tài)下發(fā)生的. 流動狀態(tài)的乙醇蒸氣產(chǎn)生的湍流會對其爆炸傳播過程產(chǎn)生一定影響[4-5]， 因此探究湍流對乙醇蒸氣火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響有重要的現(xiàn)實意義.

國內(nèi)外有一些關(guān)于湍流狀態(tài)下可燃氣體(蒸氣)火焰?zhèn)鞑サ难芯浚?但是對于可燃液體蒸氣的相關(guān)研究幾乎沒有. Kim等[6]采用Leye[7]肥皂泡膜的方法， 研究了無約束空間H2/空氣混合氣云、 CH4/空氣混合氣云等火焰?zhèn)鞑ミ^程. Pforter等[8]進行了H2/空氣半球形氣云爆炸實驗， 發(fā)現(xiàn)湍流對氣體爆炸的火焰速度是有影響的. 菅從光等[9]研究了湍流對瓦斯爆炸的誘導及火焰的影響， 研究結(jié)果表明管道面積突變對瓦斯爆炸過程的湍流影響顯著. Zhang X Y等[10]研究了湍流對納米鋁粉火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響， 發(fā)現(xiàn)由于湍流的存在形成了火焰前鋒陣面無規(guī)律的褶皺. 鑒于此， 本文采用FRTA爆炸極限測試儀和高速攝影儀對湍流狀態(tài)下乙醇蒸氣近爆炸下限的火焰?zhèn)鞑ミM行測試研究. 通過調(diào)節(jié)儀器內(nèi)置攪拌轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來改變氣體流動的狀態(tài)， 并依據(jù)可燃氣體的燃燒、 爆炸機理和流體力學的相關(guān)知識， 對測試結(jié)果進行比較分析， 得出湍流對可燃液體蒸氣火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響規(guī)律， 為評估乙醇的安全性提供參考依據(jù).

1 試驗研究

1.1 測試裝置

測試裝置包括FRTA爆炸極限測試儀和高速攝影儀， 試驗系統(tǒng)如圖 1 所示.

圖 1 試驗系統(tǒng)說明圖Fig.1 Test system diagram

FRTA爆炸極限測試儀由體積為5 L的玻璃爆炸容器和不銹鋼加熱爐組成， 爆炸容器位于加熱爐之上， 容器內(nèi)設(shè)置有測試溫度和壓力的傳感器. 儀器內(nèi)設(shè)15 kV/30 mA的高壓點火電源， 點火鎢電極位于爆炸容器中下部， 通過調(diào)節(jié)計時器精確控制火花的持續(xù)時間， 按照相關(guān)標準設(shè)置為40 ms. 通過兩個針型閥對容器抽真空、 輸入空氣和樣品. 磁力攪拌器位于容器底部， 其攪拌速度可設(shè)置范圍為0～1 200 rad/s， 本試驗通過調(diào)整攪拌速度達到控制湍流狀態(tài)的目的.

為了對比研究乙醇蒸氣在宏觀靜止狀態(tài)下和湍流狀態(tài)下火焰?zhèn)鞑サ淖兓?guī)律， 本試驗采用了Hotshot Mega SC高速攝影儀， 其拍攝速度可達到20 000 fps.

本次試驗設(shè)置的拍攝速度為800 fps. 試驗前利用秒表對乙醇蒸氣的火焰燃燒時間進行了預采集， 燃燒持續(xù)時間大約0.6 s， 可采集到0.6 s×800 fps=480幅圖片， 數(shù)據(jù)量滿足試驗要求.

1.2 測試方法

1.2.1 火焰前鋒陣面高度測量

以點火電極為原點， 建立如圖 2 所示的坐標系. 調(diào)整磁力攪拌器轉(zhuǎn)速， 產(chǎn)生湍流. 由于火焰是向上傳播的， 而且火焰前鋒陣面產(chǎn)生的褶皺會隨著轉(zhuǎn)速增大而明顯， 所以某時刻火焰前鋒陣面的高度為以原點為基準， 沿Y軸正方向火焰前鋒陣面達到的最高點， 如圖 2 所示， 此刻的H值即為該時刻火焰前鋒陣面的高度， 利用Photoshop軟件能夠測量出H值.

圖 2 火焰前鋒陣面測量圖Fig.2 Measurement for flame front

1.2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量

本文從著火開始每隔30 ms選取一張火焰?zhèn)鞑ミ^程圖片， 利用測出的火焰前鋒陣面高度H值， 用Origin軟件擬合火焰前鋒陣面高度隨時間變化的曲線， 對模擬曲線進行一階求導， 就得到了對應(yīng)時刻火焰?zhèn)鞑サ乃矔r速度.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 湍流狀態(tài)下乙醇火焰?zhèn)鞑ヌ卣?/h3>

選擇0, 400, 1 200 rad/s 3種轉(zhuǎn)速對乙醇蒸氣火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了試驗研究， 不同時刻典型的高速攝像圖如圖 3～圖 5 所示.

圖 3 是轉(zhuǎn)速為0 rad/s時， 利用高速攝影儀拍攝的乙醇蒸氣在球形容器內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^程圖片， 各圖片之間的時間差為30 ms. 0 ms為高壓電極放電時刻， 電極附近產(chǎn)生強烈的淡藍色光團； 乙醇蒸氣在37.5 ms時開始著火， 火團逐漸變大， 150 ms時形成較強亮度的藍色火焰， 在300 ms時火焰形狀達到最大. 由于乙醇蒸氣濃度隨著燃燒反應(yīng)的進行逐漸降低， 火焰速度逐漸減小， 火焰區(qū)域逐漸縮小至電極附近， 并在637.5 ms時完全熄滅.

圖 3 0 rad/s火焰?zhèn)鞑ジ咚贁z影圖Fig.3 High-speed photographies of flame propagation with speed of 0 rad/s

圖 4 400 rad/s火焰?zhèn)鞑ジ咚贁z影圖Fig.4 High-speed photographies of flame propagation with speed of 400 rad/s

圖 5 1 200 rad/s火焰?zhèn)鞑ジ咚贁z影圖Fig.5 High-speed photographies of flame propagation with speed of 1 200 rad/s

圖 4 是轉(zhuǎn)速為400 rad/s時乙醇蒸氣在球形容器內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^程， 著火延遲時間為37.5 ms， 火焰前鋒面出現(xiàn)褶皺， 邊界稍有不清晰， 火焰在375 ms時完全熄滅， 相較于轉(zhuǎn)速為0 rad/s 時的火焰持續(xù)時間較短.

圖 5 是轉(zhuǎn)速為1 200 rad/s時乙醇蒸氣在球形容器內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^程， 著火延遲時間為37.5 ms， 火焰?zhèn)鞑ミ^程中前鋒陣面出現(xiàn)比轉(zhuǎn)速為400 rad/s時更為明顯的褶皺， 邊界模糊不清晰； 火焰在381.25 ms時完全熄滅， 火焰持續(xù)時間更短.

通過觀測乙醇蒸氣在同一時刻、 不同轉(zhuǎn)速下火焰?zhèn)鞑サ膱D片發(fā)現(xiàn)， 球形火焰前鋒陣面在宏觀靜止狀態(tài)時較為平滑， 當轉(zhuǎn)速增大后， 球形火焰前鋒的褶皺加強， 火焰形狀逐漸變?yōu)闄E球形， 火焰持續(xù)時間也變短.

2.2 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的分析， 得到在爆炸濃度為4.4%時， 轉(zhuǎn)速為0, 400, 1 200 rad/s的試驗條件下， 乙醇蒸氣的火焰前鋒陣面和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓闆r曲線圖， 如圖 6 和圖 7 所示. 由圖可知， 乙醇蒸氣火焰前鋒陣面分別在278, 244, 221 ms時達到最大高度； 在點火后150, 125, 148 ms時火焰速度最大， 分別為1.3, 2.3, 2.2 m/s[11].

圖 6 火焰前鋒陣面高度變化圖Fig.6 Hight variation of flame front

圖 7 火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓瘓DFig.7 Speed variation of flame propagation

分析整個試驗結(jié)果可知， 乙醇蒸氣與空氣的預混氣體被電火花點燃后， 首先形成一個化學反應(yīng)中心， 即高速攝影圖中可見的藍色火焰中心， 火焰陣面以規(guī)則的球狀向周圍傳播， 火焰中心的熱量和活化分子通過進一步的反應(yīng)將能量傳遞到火焰周圍未燃的混合氣體薄層， 這個階段屬于燃燒初期， 火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢. 在火焰燃燒持續(xù)到65～140 ms的階段， 火焰速度迅速增大， 火焰形態(tài)發(fā)生明顯變化， 火焰陣面出現(xiàn)不規(guī)則的褶皺面， 而且褶皺隨著轉(zhuǎn)速增大越來越明顯. 當轉(zhuǎn)速不同時， 氣體流動狀態(tài)不同， 轉(zhuǎn)速增大加強了對火焰?zhèn)鞑ミ^程的擾動， 使得火焰陣面變成不規(guī)則的齒狀結(jié)構(gòu)， 呈現(xiàn)出不同的褶皺面， 火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S著湍流的增強而逐漸增大. 當轉(zhuǎn)速為0 rad/s時， 火焰前鋒陣面高度上升速度最慢， 火焰?zhèn)鞑サ淖畲笏俣葹?.3 m/s； 當有湍流干擾時， 火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃? 當轉(zhuǎn)速為400 rad/s時， 火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到2.3 m/s[11]， 此時再增加轉(zhuǎn)速， 火焰速度變化不大. 這是由于火焰前鋒陣面的褶皺改變、 熱傳導以及質(zhì)量擴散現(xiàn)象的綜合影響導致的.

3 結(jié) 論

1) 球形火焰前鋒陣面在宏觀靜止狀態(tài)時比較平滑. 外加湍流擾動加強了對火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響， 使得火焰面變成不規(guī)則的齒狀結(jié)構(gòu)， 呈現(xiàn)出不同的褶皺面.

2) 湍流狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哂陟o態(tài)時的火焰?zhèn)鞑ニ俣?

[1]苗金明， 劉倩倩， 張憲金. 乙醇貯罐區(qū)事故后果定量模擬分析[J]. 北京勞動保障職業(yè)學院學報， 2012， 6(1)： 36-39. Miao Jinming, Liu Qianqian, Zhang Xianjin. The quota simulation analysis in accident consequence of ethanol tank area[J]. Journal of Beijing Vocational College of Labour and Social Security, 2012, 6(1): 36-39. (in Chinese)

[2]王峰， 高金吉， 劉文彬. 化工過程危險與可操作性及爆炸事故分析技術(shù)[J]. 化工學報， 2008， 59(12)： 3184-3190. Wang Feng, Gao Jinji, Liu Wenbin. Hazard and operability and explosion accidents analysis technology in chemical processes[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2008, 59(12): 3184-3190. (in Chinese)

[3]王三明， 蔣軍成. 重大工藝爆炸事故嚴重度評價[J]. 南京化工大學學報(自然科學版)， 2001， 23(2)： 16-19. Wang Sanming, Jiang Juncheng. Severity evaluation of major process explosion accident[J]. Journal of Nanjing University of Chemical Technology (Natural Science Edition), 2001, 23(2): 16-19. (in Chinese)

[4]謝溢月， 譚迎新， 孫彥龍. 湍流狀態(tài)下甲烷爆炸極限的測試研究[J]. 中國安全科學學報， 2016， 26(11)： 65-69. Xie Yiyue, Tan Yingxin, Sun Yanlong. Explosive limits of methane in turbulent flow[J]. China Safety Science Journal, 2016, 26(11): 65-69. (in Chinese)

[5]Amyotte P R， Chippett S， Pegg M J， 等. 湍流對粉塵爆炸的影響[J]. 力學進展， 1990， 4： 538-554. Amyotte P R, Chippett S, Pegg M J, et al. The impact of turbulence on dust explosion[J]. Advances in Mechanics, 1990, 4: 538-554. (in Chinese)

[6]Kim W K， Mogi T， Dobashi R. Effect of propagation behavior of expanding spherical flames on the blast wave generated during unconfined gas explosions[J]. Fuel， 2014， 128(14)： 396-403.

[7]Layer J C， Guerraud C， Manson N. The restrict of soap bubble on vapour cloud explosions[C]. 15th Symposium (International)on Combustion， 1975： 645-653.

[8]Pfortner H， Schnerder H. The experiment research of a blast wave of non-ideal explosions[J]. Progress Astronautics and Aeronautics， 1987， 114: 488-498.

[9]菅從光， 林柏泉， 宋正昶， 等. 湍流的誘導及其對瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波的作用[J]. 實驗力學， 2004, 19(1)： 39-44. Jian Congguang, Lin Boquan, Song Zhengchang, et al. Induction of turbulent flow and its effects on flame and explosion wave in gas explosion[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2004, 19(1): 39-44. (in Chinese)

[10]Zhang X Y， Yu J L， Sun J H， et al. Effects of turbulent intensity on nano-PMMA flame propagation behaviors[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2016, 44： 119-124.

[11]謝溢月. 湍流對可燃氣體(蒸氣)爆炸極限及火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響[D]. 太原： 中北大學， 2017.