倪文婧
(天地科技股份有限公司,北京 100013)
液化石油燃料的供需矛盾是各國面臨的重要問題之一,石油替代燃料是發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。丙烷是液化石油氣的主要成分,其沸點(diǎn)低而且燃燒生成的辛烷值高且易于和空氣混合,被認(rèn)為是最有潛力的替代燃料。但是丙烷是易燃?xì)怏w,其火焰在傳播過程中,伴隨火焰加速以及壓力溫度的急劇增加引起的非理想爆炸是工業(yè)生產(chǎn)中爆炸災(zāi)害的主要形式。而對早期火焰的結(jié)構(gòu)以及加速傳播的內(nèi)在機(jī)制研究則可以有效抑制該類爆炸事故的發(fā)生。
縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,目前較為關(guān)注的是丙烷—空氣不同比例下的混合物爆炸參數(shù)研究[1-5],而對火焰?zhèn)鞑ミ^程微觀結(jié)構(gòu)受外界條件影響規(guī)律方面的研究則相對較少。其中,在方形長管實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Tulip火焰結(jié)構(gòu),即在特定的實(shí)驗(yàn)條件下,球面陣面的曲率發(fā)生變化,火焰陣面即火焰結(jié)構(gòu)由凸面向凹面轉(zhuǎn)變。同時(shí),伴隨半球面火焰向前傳播的過程中,球面曲率半徑降低并最終形成平面,火焰面開始向易燃區(qū)傳播,形成小尺度的湍流燃燒,這種火焰被稱為Tulip火焰結(jié)構(gòu)[6]。對此現(xiàn)象,有以下幾種理論解釋:火焰陣面和壓力波的相互作用、火焰的不穩(wěn)定性、在火焰前鋒有大尺度的渦流、壁面淬熄效應(yīng)和黏性影響以及D-L不穩(wěn)定性。而且以往對Tulip的研究僅僅局限于方形長管中,球形爆炸罐內(nèi)的研究則相對較少。
本文介紹了借助高速紋影系統(tǒng)了解球形爆炸罐內(nèi)丙烷—空氣預(yù)混體燃燒的過程,探究了丙烷濃度對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?,重點(diǎn)關(guān)注Tulip火焰結(jié)構(gòu)的形成過程,并分析及對比了火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒏×鞑ニ俣入S時(shí)間的變化規(guī)律。
1.16 m3的球形多相爆炸罐體如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由點(diǎn)火系統(tǒng)、紋影系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成。8套噴粉揚(yáng)塵系統(tǒng)對稱安裝,測試孔均勻分布在罐體四周,其中測試裝置、點(diǎn)火裝置利用測試孔來進(jìn)行安裝。點(diǎn)火裝置安裝有電極,鹵鎢燈用作紋影系統(tǒng)的光源,設(shè)有凹面鏡、凸透鏡、平面鏡。
圖1 多相燃燒爆炸罐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of the multiphase combustion explosion tank
為了考察丙烷濃度對丙烷燃燒過程的影響,分別采用了當(dāng)量比φ為1.8、2.0 及2.1的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)量比φ為1.8和2.0時(shí),點(diǎn)火能量為120 pF,15.9 kV;而φ為2.1時(shí),點(diǎn)火能量為1 200 pF,15.9 kV。三種濃度的丙烷—空氣混合氣燃燒過程的紋影如圖2所示。
圖2 丙烷—空氣混合物的紋影Fig.2 Flame schlieren images of propane-air mixture
從圖2可以看出,在三種工況下火焰的傳播過程都不同程度的受到浮力影響。
當(dāng)φ=1.8時(shí),火焰在傳播過程的同時(shí)受到浮力與熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性的干擾。當(dāng)t=176 ms時(shí),球形火焰陣面下半球形火焰中心發(fā)生彎曲,即從未燃區(qū)轉(zhuǎn)移至已燃區(qū),此時(shí)逐漸形成Tulip結(jié)構(gòu);當(dāng)t=467.2 ms時(shí),整個(gè)火焰陣面漂移出可視窗口;當(dāng)t=478.4 ms時(shí),火焰陣面再次傳播到可視窗口且火焰陣面不是球形傳播,而是沿著電極向未燃區(qū)凸起的方式傳播。初始的火焰陣面是光滑的陣面,隨著火焰的向前傳播,火焰陣面迅速布滿褶皺,形成胞格結(jié)構(gòu),促進(jìn)燃燒加速。
當(dāng)φ=2.0且t=154.3 ms時(shí),球形火焰陣面下半個(gè)球火焰陣面中心由未燃區(qū)彎曲逐步向已燃區(qū)彎曲,形成Tulip結(jié)構(gòu),并逐步擴(kuò)大;t=445 ms時(shí),整個(gè)火焰陣面漂移出可視窗口。由于設(shè)置的紋影記錄時(shí)間太短,未能記錄燃燒混合物的二次燃燒,火焰陣面再次出現(xiàn)在可視窗口的情況。
當(dāng)φ=2.1且t=138.5 ms時(shí),球形火焰陣面下半個(gè)球火焰陣面中心由未燃區(qū)彎曲逐步向已燃區(qū)彎曲,形成Tulip結(jié)構(gòu);t=463 ms時(shí),整個(gè)火焰陣面漂移出可視窗口,t=3 294 ms時(shí),火焰陣面再次傳播到可視窗口,但是火焰陣面不規(guī)則。
綜上所述,在此種實(shí)驗(yàn)條件下,隨著當(dāng)量比的增加,Tulip結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時(shí)間越早。而且隨著當(dāng)量比的增加,火焰陣面從漂移出可視陣面到再次出現(xiàn)在陣面的時(shí)間大大增加。這說明火焰陣面碰到容器壁,火焰陣面反向傳播,φ為1.8時(shí),火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?/p>
不同當(dāng)量比火球半徑與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。火球半徑隨著時(shí)間的增加均呈增長趨勢且當(dāng)量比為1.8時(shí)的火球半徑最大,而當(dāng)量比為2.0時(shí)的火球半徑最小。由于隨著當(dāng)量比的增加,單位體積內(nèi)釋放的能量越小而且多余丙烷吸熱會(huì)消耗能量,所以隨著當(dāng)量比的增加,火球半徑逐漸減少。但是φ為2.1的火球半徑大于當(dāng)量比為2.0的火球半徑(見圖3)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于當(dāng)量比為2.1的點(diǎn)火能量為其他兩種工況點(diǎn)火能量的10倍引起的。從上述結(jié)果可以得出,點(diǎn)火能量在爆炸極限附近對可燃性混合物的燃燒影響很大。
圖3 火球半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 The fireball radius as a function of time
不同當(dāng)量比條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。隨著時(shí)間的推移,火球半徑增長速度呈逐漸減小的趨勢。在火焰發(fā)展初始階段,即t=0.09 s時(shí),當(dāng)量比為1.8的火球半徑增長速度最快,而當(dāng)量比為2.0的增長速度最慢。當(dāng)t>0.09 s時(shí),當(dāng)量比為2.0的火球增長速度逐步超過當(dāng)量比為2.1的火球增長速度。這是由于隨著火焰向前傳播,點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴?。?dāng)量比為2.0時(shí),隨著火焰向前傳播,火球半徑增長速度呈現(xiàn)先緩慢減小,而后幾乎保持不變,最后迅速下降的趨勢。當(dāng)t=0.18 s時(shí),火球半徑增長速度迅速減小,對比紋影圖片,此時(shí)產(chǎn)出明顯的Tulip火焰。
圖4 混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間變化規(guī)律Fig.4 Evolution of the flame propagation velocity with time
不同當(dāng)量比條件下浮力傳播速度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示,隨著時(shí)間的推移,浮力傳播速度呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)量比為1.8時(shí)浮力傳播速度最大,當(dāng)量比為2.0時(shí),浮力傳播速度最小。當(dāng)量比為2.0且t=0.15 ms時(shí),浮力傳播速度逐步減小。從圖2中可知,當(dāng)t=154.3 ms時(shí)形成了Tulip火焰結(jié)構(gòu)。由此可知,Tulip火焰結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使浮力傳播速度迅速減少。
圖5 浮力傳播速度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5 Evolution of buoyancy propagation speed with the time
圖6 浮力傳播速度隨火球半徑變化規(guī)律Fig.6 Relationship between buoyancy velocity and the fireball radius
不同當(dāng)量比浮力傳播速度隨火焰半徑的變化規(guī)律如圖6所示,浮力傳播速度呈逐漸增加的趨勢。在火焰發(fā)展初始階段,火球半徑小于0.055 m時(shí),當(dāng)量比為2.0時(shí),浮力傳播速度最大,而當(dāng)量比為1.8時(shí),浮力傳播速度最小。當(dāng)量比為2.0時(shí),受浮力的影響最大,當(dāng)量比為1.8時(shí),受浮力的影響最小。當(dāng)火球半徑大于0.055 m,當(dāng)量比為2.0時(shí),浮力傳播速度迅速降低,低于當(dāng)量比為2.1的浮力傳播速度。這是由于隨著火焰向前傳播,點(diǎn)火能對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴А.?dāng)量比為2.0時(shí),隨著火焰的向前傳播,浮力傳播速度呈現(xiàn)先緩慢增加,然后迅速下降的趨勢。在火球半徑為0.052 m時(shí),浮力傳播速度迅速減小,對比紋影圖片,此時(shí)產(chǎn)出明顯的Tulip火焰。
不同當(dāng)量比火球半徑增長速度隨火球半徑的變化規(guī)律如圖7所示。隨著火焰的傳播,火球半徑增長速度隨著火球半徑逐漸降低。在火焰發(fā)展初始階段,火球半徑小于0.045 m,當(dāng)量比為2.0時(shí),火球半徑增長速度最小,而當(dāng)量比為1.8時(shí),火球半徑增長速度最大。這說明,當(dāng)量比為2.0時(shí),能力釋放速率最小,當(dāng)量比為1.8時(shí),能量釋放速率最大。當(dāng)火球半徑大于0.045 m,當(dāng)量比為2.1時(shí),火球半徑增長速度迅速降低,和當(dāng)量比為2.0時(shí)的情況基本一致。這是由于隨著火焰的向前傳播,點(diǎn)火能對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴А?/p>
圖7 火球半徑增長速度與火球半徑的關(guān)系Fig.7 Relationship between fireball radius growth speed and the fireball radius
在爆炸罐體內(nèi)對丙烷—空氣預(yù)混氣的燃燒過程進(jìn)行研究時(shí),分析了火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、浮力傳播速度隨時(shí)間的變化規(guī)律,并關(guān)注浮力傳播速度以及火球半徑增長速度隨火焰半徑的變化關(guān)系。研究表明,當(dāng)丙烷—空氣在燃燒極限附近,點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑ビ绊懞艽?。?dāng)量比為2.1的點(diǎn)火能量是當(dāng)量比為2.0的10倍時(shí),相同時(shí)刻當(dāng)量比為2.1的火焰半徑、火焰?zhèn)鞑ニ俣却?。?dāng)丙烷—空氣在富燃情形下,即當(dāng)量比大于1.8時(shí),預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ミ^程受浮力的影響,火焰陣面向已燃區(qū)彎曲,此時(shí)形成Tulip火焰結(jié)構(gòu)。此外,實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),Tulip火焰結(jié)構(gòu)形成于浮力傳播速度減小以及火球半徑迅速降低的過程中。