障礙物條件下的甲烷水平噴射火燃燒特性研究*

李玉星 劉鵬 耿曉茹 劉翠偉 張亦翔 王建國

1山東省油氣儲運安全重點實驗室

2中國航空油料有限責(zé)任公司青島分公司

3大慶油田第四采油廠基建中心

近年來，隨著天然氣管道的運行時間和壽命的增加，一些管道已經(jīng)銹蝕、變薄，加之地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕穿孔、第三方破壞等原因使管道發(fā)生泄漏而導(dǎo)致噴射火事故時有發(fā)生，由此造成的人員傷亡與社會財產(chǎn)損失不計其數(shù)，嚴(yán)重危害著人民生命財產(chǎn)安全與社會安定。

目前，國內(nèi)外學(xué)者就噴射火的火焰形態(tài)[1-4]、抬升高度[5]、溫度分布及熱輻射場預(yù)測模型[6-9]等方面做了大量研究，已經(jīng)總結(jié)出較為成熟的火焰預(yù)測模型，但在通過障礙物降低噴射火危害方面研究較少。SCHEFER 等[10]通過研究不同夾角的墻壁結(jié)構(gòu)對降低噴射火造成的危害效果，發(fā)現(xiàn)噴射火焰的強度很大程度上依賴于火焰的幾何形狀和輻射強度；董炳燕等[11]通過FDS 模擬研究了障礙物寬度對噴射火傳播特性的影響，確定了最佳的障礙物阻擋寬度；楊宏偉等[12]通過數(shù)值模擬研究了在不同高度障礙物下火焰的發(fā)展和傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)障礙物在密閉空間對火焰?zhèn)鞑サ耐牧骷铀僮饔茫欢∫员蟮萚13]主要針對深井隧道內(nèi)的障礙物布置，通過實驗研究了不同障礙物結(jié)構(gòu)、數(shù)量和位置對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?。目前障礙物對噴射火的影響研究多集中于重?zé)N以及輕烴的預(yù)混氣體噴射火方面，對于管道泄漏導(dǎo)致的甲烷噴射火這類輕烴與障礙物的作用規(guī)律缺乏相關(guān)實驗研究。因此，基于實驗確定合適的障礙物高度、寬度以及障礙物布置距離，對于完善相關(guān)理論、降低天然氣事故危害范圍具有重要的意義。

1 實驗方法及驗證

1.1 實驗裝置

為了研究障礙物對甲烷水平噴射火燃燒特性的影響，設(shè)計并搭建了實驗裝置，如圖1所示。實驗裝置由噴射系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)四部分組成。噴射系統(tǒng)主要組成為長400 mm、噴口直徑8 mm 的圓筒狀噴射腔體。點火系統(tǒng)由電源、控制器和點火器組成，點火器的工作電壓為直流6 V，點火電極能量為6 J，位于噴口水平軸線位置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由K 型熱電偶、高速攝像儀和數(shù)據(jù)記錄儀組成。其中，K 型熱電偶測溫范圍為-40～1 300 ℃，沿噴口軸向位置以150 mm 的增量依次布置4個測溫點，測點2和3分別布置在障礙物前后位置；火焰的幾何形貌變化圖像由高速攝像儀以3 000幀/s 的速度進行拍攝。供氣部分由甲烷（體積分?jǐn)?shù)為99.99%）氣瓶提供，流量由轉(zhuǎn)子流量計通過閥門控制。由于轉(zhuǎn)子流量計測量的氣體流量以空氣進行標(biāo)定，則甲烷的實際流量由公式（1）給出

式中：q0、q1分別為空氣和甲烷的流量，m3/h；ρ0、ρ1分別為空氣和甲熔在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況（20 ℃、101.325 kPa）下的密度，1.205 kg/m3和0.66 kg/m3；p0為空氣在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對壓力，Pa；p1為甲烷在工作狀態(tài)下的絕對壓力，Pa；T0為空氣在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對溫度，K；T1為甲烷在工作狀態(tài)下的絕對溫度，K。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental devices

試驗所用障礙物為鋼制立方體，置于噴射口正前方。在已知泄漏孔徑、噴射流量以及障礙物位置不變的情況下，計算得到最大的火焰直徑為35 mm，長度約為0.8 m（不超過1 m）。據(jù)此，為研究障礙物不同高度對水平噴射火燃燒特性的影響，設(shè)計障礙物尺寸分別為120 mm×120 mm×120 mm，120 mm×120 mm×180 mm，120 mm×120 mm×240 mm；為研究障礙物不同寬度對水平噴射火燃燒特性的影響，設(shè)計障礙物尺寸分別為120 mm×60 mm×120 mm，120 mm×120 mm×120 mm，120 mm×180 mm×120 mm。

1.2 實驗步驟

（1）實驗前準(zhǔn)確連接設(shè)備，檢查燃燒裝置的完備性和密封性，將障礙物置于噴射口水平軸線位置，組裝高速攝像機并與計算機連接。

（2）先噴氣，對整個裝置流程進行置換。進氣時打開閥門至轉(zhuǎn)子流量計浮子跳動，開啟點火器電源進行點火，在水平方向形成穩(wěn)定的燃燒火焰，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

（3）每個工況的持續(xù)時間約為1 min，實驗結(jié)束后，待空氣流通5 min 左右恢復(fù)到初始狀態(tài)，再進行后續(xù)實驗。

1.3 誤差分析

實驗主要誤差來源：溫度測量采用的K型熱電偶精度為0.75%；精密壓力表精度為0.02%；數(shù)據(jù)記錄儀的精度為0.2%。每組工況進行至少3次的重復(fù)實驗。表1為無障礙條件下進行的3次實驗溫度對比，穩(wěn)定燃燒階段的平均溫度最大相對誤差為7.8%，在可接受誤差范圍之內(nèi)。

表1 重復(fù)性實驗誤差對比Tabl.1 Comparison of repetitive experimental errors

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 障礙物高度影響分析

圖2 在Q=2.9 m3/h、d=200 mm時不同障礙物高度下火焰速度分布Fig.2 Flame velocity distribution at different obstacle heights when Q=2.9 m3/h and d=200 mm

火焰燃燒速度分布圖如圖2所示，在無障礙時，火焰中心區(qū)域速度分布均勻，最大可達(dá)到14.4 m/s。由于陣面的不穩(wěn)定性，火焰和未燃?xì)怏w之間存在較大的速度差，導(dǎo)致外焰?zhèn)鞑ニ俣容^弱，影響火焰的燃燒狀態(tài)和形狀。當(dāng)障礙物的阻擋作用改變了流動氣體的移動方向時，在障礙物表面邊界層黏性力的作用下，可燃?xì)怏w的動量減少，隨著障礙物高度的增加，自由流動的截面積減小大大限制了火焰的傳播速度。在圖3中，當(dāng)障礙物較低時，火焰前鋒的傳播速度為1.16 m/s，阻擋作用較弱。增加障礙物高度，可加速在火焰內(nèi)部形成局部擾流，能夠明顯減弱火焰沿軸線方向的傳播速度，使火焰前鋒的平均傳播速度下降到1.01 m/s，說明氣體速度在較高障礙物表面下降明顯，形成了較大的反向火焰速度，進而減緩了火焰鋒面在速度方向的燃燒程度。

2.2 障礙物寬度影響分析

圖3 在Q=2.9 m3/h、d=200 mm時不同障礙物高度下火焰前鋒速度變化Fig.3 Changes of flame front velocity at different obstacle heights when Q=2.9 m3/h and d=200 mm

圖4 在Q=2.9 m3/h、d=300 mm時不同障礙物寬度下火焰的變化Fig.4 Changes of flame at different barrier widths when Q=2.9 m3/h and d=300 mm

圖5 在Q=1.6 m3/h、d=300 mm時障礙物對火焰幾何形狀的影響Fig.5 Effects of obstacles on flame geometry when Q=1.6 m3/h and d=300 mm

圖4為Q=2.9 m3/h、d=300 mm 時不同障礙物寬度下火焰的變化。圖5為不同障礙物寬度下火焰抬升高度和面積隨時間的變化，在無障礙物的情形下，火焰的燃燒高度較高，且波動規(guī)律呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并且具有不規(guī)則性；當(dāng)障礙物的寬度為60 mm時，火焰的燃燒高度增加，在549 mm 上下波動，波動范圍在450～630 mm 之間，隨著障礙物寬度的增加，火焰的燃燒高度先減小后增大；當(dāng)障礙物寬度為120 mm 時，火焰燃燒高度在465 mm上下波動，波動范圍在410～520 mm 之間，這是因為障礙物使火焰發(fā)生了伸展和褶皺，障礙物的前方誘導(dǎo)火焰向兩邊延伸，火焰的燃燒高度因此降低；在障礙物的寬度為180 mm 時，障礙物前端擋住了大部分火焰，使火焰向上延伸量相比寬度為120 mm時有所增加，火焰的燃燒高度在465 mm 上下波動，波動范圍在480～630 mm 之間。對于火焰的燃燒面積來說，在無障礙物情形下，火焰的燃燒面積在7.76×104mm2上下波動，波動范圍在4×104～1.15×105mm2之間，并且變化較大；在有障礙物的情形下，火焰面積變化相對穩(wěn)定，基本的變化范圍在1.5×104～6.5×104mm2之間。

整體來說，障礙物有效阻擋了火焰的傳播，進而使火焰燃燒面積變小。障礙物阻擋了甲烷的水平射流，增大了火焰的橫向?qū)挾?，使火焰尺寸在兩?cè)方向被拉伸，并且隨著障礙物寬度的增加，火焰的橫向尺寸越來越大，同時在障礙物的前方截斷了水平方向的射流速度，使火焰不能直接到達(dá)障礙物后方。燃燒過程中，火焰首次撞擊障礙物形成的火焰尺寸最大，之后火焰尺寸變小并趨于穩(wěn)定。障礙物的存在使甲烷噴射火發(fā)生強烈褶皺和伸展，燃燒表面積增大，使甲烷與空氣化學(xué)反應(yīng)速率和熱釋放速度增加，火焰尺寸增加。

如圖6所示，溫度測點為障礙物前后兩溫度測點，截取燃燒穩(wěn)定階段（25 s 左右）的障礙物前后溫度隨時間變化的曲線圖可以看出：沒有障礙物時，在同一測點溫差變化為負(fù)值，并隨著流量的增加，溫差增大；在相同流量情況下，相同距離處，增加障礙物后，火焰燃燒達(dá)到穩(wěn)定階段，障礙物的阻擋作用隨著障礙物寬度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在相同距離情況下，隨著流量的增加，障礙物對火焰?zhèn)鞑サ囊种菩Ч仍鰪姾鬁p弱。這種現(xiàn)象的主要原因是甲烷噴射火在一定條件下受空氣浮力影響較大，火焰抬升高度比重?zé)N類氣體大，因此隨著軸線距離增加火焰溫度迅速下降。在障礙物寬度為60 mm，較大流量情況下，部分火焰能夠越過障礙，使障礙前后兩側(cè)產(chǎn)生的溫度梯度較小；當(dāng)障礙物寬度為120 mm 時，障礙物能夠較好地阻擋火焰擴張，在障礙物邊緣處的火焰向外延伸，增大了火焰的燃燒面積，火焰的燃燒速率增加，因此在流量最大時障礙物前后兩側(cè)產(chǎn)生的溫度梯度最大；當(dāng)障礙物寬度為180 mm 時，障礙物能夠完全阻擋火焰，即使火焰向外延伸，也在障礙物的阻擋范圍內(nèi)，但是由于空氣浮力影響的抬升高度較高，此時障礙物對火焰的阻擋效果已經(jīng)明顯減弱。綜上所述，為減小噴射火焰下游的危害，保證較好的抑制效果，需增加障礙物寬度。

2.3 障礙物距離噴射源間距影響分析

圖7為障礙物與泄漏孔不同間距時火焰的變化圖像，圖8為障礙物距泄漏孔不同距離對火焰幾何形狀的影響分析曲線。在障礙物距泄漏孔的距離為200 mm 的情形下，火焰燃燒高度在488 mm 上下波動；當(dāng)噴射距離為300 mm 時，火焰燃燒高度在587 mm 上下波動；當(dāng)噴射距離為400 mm 時，火焰燃燒高度在572 mm 上下波動。由此可見，當(dāng)障礙物在泄漏孔正前方300 mm 左右時，火焰的燃燒抬升高度最高，其他情形下，火焰的抬升高度變小，即隨著障礙物的位置逐漸遠(yuǎn)離泄漏孔，火焰的燃燒高度先增大后減小。

圖6 不同的障礙物寬度障礙物前后測點溫差分布規(guī)律Fig.6 Distribution of temperature difference in front and at the back of obstacles with different barrier widths

對于火焰燃燒面積來說，在障礙物距泄漏孔的距離為200 mm 的情形下，火焰面積較小，且波動范圍比較穩(wěn)定，火焰面積在2.84×104mm2上下波動；當(dāng)障礙物距泄漏孔的距離為300 mm 時，火焰燃燒面積變大，在3.328×104mm2上下波動；當(dāng)障礙物距泄漏孔的距離為400 mm 時，火焰的燃燒面積在4.13×104mm2上下波動，原因是障礙物距泄漏孔的距離越遠(yuǎn)，火焰在橫向被拉伸得越長，導(dǎo)致火焰的燃燒面積增加。整體來說，在該實驗工況（障礙物與泄漏孔的距離為200 mm）下，障礙物有效阻擋了火焰的燃燒面積，并且噴射火燃燒引起周圍空氣的湍動程度較大，而空氣的湍流運動又將會帶動燃燒火焰形態(tài)進行無規(guī)則的快速變化，因此火焰面積呈現(xiàn)無規(guī)則變化。

對于不同泄漏流量的噴射火焰溫度分布，PALACIOS 等[14]首先對垂直甲烷氣體噴射火進行了實驗測量。研究結(jié)果將火焰在軸向的溫度分布劃分為三個區(qū)域：①p≤40%，溫度升高，軸向位置達(dá)到1 800 K 高溫；②40%＜p＜70%，溫度的平均值接近1 800 K，最高溫度達(dá)到1 900 K；③p≥70%，溫度開始下降，火焰頂部的最高溫度仍大于火焰初始階段?；鹧鏈囟确植甲鳛橹行木€上軸向位置的函數(shù)如公式（2）所示

式中：T為中心線處的溫度，K；p為軸向位置，%。

從方程中可以看出，隨著流量的增加，噴射火焰的長度增加，但最大中心線溫度在軸向位置60%＜p＜70%火焰長度范圍內(nèi)是幾乎相同的，因此可以預(yù)測在不同流量下達(dá)到最高溫度的傳播位置。通過該式可以看出氧氣和燃料的混合程度隨著離開出口軸向距離而增加，故在火焰出口處溫度隨距離的增加而連續(xù)增大。在中心部分，氧氣和燃料達(dá)到穩(wěn)定的動態(tài)平衡，燃燒趨于穩(wěn)定，溫度達(dá)到最大值。在燃燒末段，燃料的質(zhì)量開始下降，因此混合燃料程度下降，導(dǎo)致溫度降低。圖9為文獻[15]中擬合曲線與實驗值的對比。

圖7 障礙物與泄漏孔不同間距時火焰的變化Fig.7 Changes of flame with different distances between obstacles and leak holes

圖8 障礙物距泄漏孔不同距離對火焰幾何形狀的影響Fig.8 Influence of distance between obstacle distance and leak hole on flame geometry

圖9 軸向溫度分布和擬合曲線Fig.9 Axial temperature distribution and fitting curve

圖9a 中看出，在三種噴射速度下，甲烷噴射火溫度沿軸線呈先增加后減小的變化趨勢，而火焰中心的最高溫度基本位于火焰長度的40%～70%位置處。根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，軸線位置的溫度分布與火焰長度呈正態(tài)分布規(guī)律，擬合的溫度分布曲線如圖9b 所示。當(dāng)Q=1.6 m3/h 時，火焰溫度的最大值為880 ℃，距噴射源位置大約38%處；當(dāng)Q=2.1 m3/h時，火焰的平均最高溫度達(dá)到810 ℃，距噴射源位置大約為42%處；當(dāng)Q=2.9 m3/h 時，實驗得到的火焰平均最高溫度為750 ℃，距噴射源位置大約為46%處。因此在不同流量下，火焰形成的最高溫度范圍大約在火焰長度的40%～50%處。由于實驗中傳感器布置數(shù)量有限，所以在較大流量下測量的溫度分布產(chǎn)生一定的偏差，造成在擬合曲線時最高溫度位置偏低。由圖可知，對于甲烷氣形成的噴射火，火焰的運動受浮力影響較大，火焰抬升高度較大，所以在軸線末段溫度下降幅度較大。因此對于障礙物的位置應(yīng)該設(shè)置在達(dá)到穩(wěn)定燃燒之前，即距離噴射源軸線位置的40%～50%處。

3 結(jié)論

（1）障礙物的存在能夠有效影響火焰的傳播，在其他條件一定時，隨著障礙物的高度增加，火焰軸向前鋒速度將隨之降低；隨著障礙物的寬度增加，火焰高度先減小后增大，火焰面積變化不大；隨著障礙物與噴射源間距增大，火焰高度先增大后減小，火焰面積不斷增大。

（2）實驗研究發(fā)現(xiàn)，火焰中心的最高溫度基本位于火焰長度的40%～70%位置處，障礙物設(shè)置在達(dá)到穩(wěn)定燃燒之前抑制火焰效果最佳，即距離噴射源軸線位置的火焰長度40%～50%處。