阻塞比對(duì)豎直管道中鋁粉爆炸特性的影響研究*

朱小超，鄭立剛,2，于水軍,2，王亞磊，李 剛，杜德朋，竇增果

（1. 河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003）

鋁粉作為一種重要的金屬工業(yè)原料，在眾多領(lǐng)域被廣泛使用，然而，由于對(duì)粉塵防爆意識(shí)的缺失，不斷有嚴(yán)重的鋁粉爆炸災(zāi)害事故[1-2]發(fā)生，鑒于此，國內(nèi)外專家學(xué)者開始對(duì)鋁粉爆炸特性進(jìn)行研究，以期對(duì)此類事故進(jìn)行有效控制。

在20 L 球形爆炸容器中，改變微米級(jí)鋁粉塵的粒徑、濃度[3-4]、點(diǎn)火延遲時(shí)間[5-6]等因素發(fā)現(xiàn)，各爆炸災(zāi)害參數(shù)（最大爆炸壓力、壓升速率、爆炸指數(shù)）隨濃度增加呈拋物線變化，并且存在一個(gè)最佳爆炸濃度（500 g/m3）；當(dāng)粉塵濃度一定時(shí)，爆炸壓力與鋁粉粒徑呈二次函數(shù)關(guān)系，壓升速率則隨粒徑減小呈指數(shù)上升趨勢；在不同湍流強(qiáng)度下，爆炸壓力及壓升速率隨湍流度的增加而增加，且對(duì)應(yīng)的最大有效燃燒速率隨其增加呈線性增長。在5 L 爆炸罐中，改變點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火能、噴粉壓力以及環(huán)境濕度等條件[7-9]，均觀察到對(duì)鋁粉爆炸參數(shù)有重要影響。Sun 等[10]通過觀察單個(gè)鋁粒子的燃燒狀況，初步確定鋁粉塵云傳播存在一個(gè)3～4 mm 的預(yù)熱區(qū)和5～7 mm 的燃燒區(qū)，并說明鋁粒子燃燒可分為加熱和表面緩慢氧化，以及快速凝聚相氧化和氣相燃燒兩個(gè)過程；在可視管道中研究了不同粒徑鋁粉火焰的傳播特性[11]，發(fā)現(xiàn)粒徑越小越有利于鋁粉反應(yīng)的進(jìn)行。任瑞娥等[12]、Yan 等[13]、譚迎新等[14]在自行設(shè)計(jì)的水平管道中研究了鋁粉濃度、粒徑、點(diǎn)火延遲時(shí)間等因素對(duì)其爆炸參數(shù)的影響。Yan 等[15]研究了鋁粉管道泄爆時(shí)產(chǎn)生的二次爆炸現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)泄爆管長度大于1 500 mm，且濃度大于500 g/m3時(shí)，二次爆炸出現(xiàn)的概率大大增加（17%～50%）；喻健良等[16]在改良的哈特曼管中研究了粉塵燃爆泄放特性，結(jié)果表明粉塵粒度對(duì)泄爆超壓沒有影響，且存在一個(gè)質(zhì)量濃度最優(yōu)值。

盡管眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)鋁粉塵爆炸進(jìn)行了大量研究，但仍存在不足之處。通過事故調(diào)查可知，除塵管道在鋁粉爆炸傳播中起到重要作用，因此有必要對(duì)除塵管道的泄爆特性進(jìn)行探究。泄爆是一種經(jīng)濟(jì)有效的被動(dòng)式抑爆手段，泄爆面積的大小對(duì)火焰?zhèn)鞑ヒ约肮艿纼?nèi)部壓力變化存在重要影響[17-19]。因此，有必要研究狹長空間內(nèi)泄爆面積對(duì)鋁粉爆炸的影響規(guī)律。本文中通過改變豎直管道開口端的泄放面積探究開口管道阻塞比對(duì)鋁粉塵爆炸特性的影響，利用火焰?zhèn)鞑パ莼约肮艿纼?nèi)超壓特征分析鋁粉爆炸特性，以期為鋁粉爆炸災(zāi)害的防治提供一定理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖。結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求，自行設(shè)計(jì)并搭建鋁粉爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該爆炸平臺(tái)主要由爆炸管道系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及同步控制系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)采用100 mm×100 mm×1 000 mm 的透明有機(jī)玻璃管道，管壁厚20 mm，承壓2.0 MPa，可以滿足實(shí)驗(yàn)承壓需要，且便于相機(jī)拍攝，采集圖像數(shù)據(jù)，用于后期火焰鋒面結(jié)構(gòu)以及火焰演化分析；實(shí)驗(yàn)采用的噴粉系統(tǒng)主要由200 mL 儲(chǔ)氣罐、電磁閥、壓力表、高壓噴頭、儲(chǔ)粉器以及空氣壓縮機(jī)等配件構(gòu)成，噴氣壓力最高達(dá)0.8 MPa，噴粉效果良好；點(diǎn)火系統(tǒng)主要構(gòu)件由高熱能點(diǎn)火器和點(diǎn)火電極組成，其中高熱能點(diǎn)火器為西安順泰熱工定制的HE119 系列高熱能點(diǎn)火器，輸入電壓為AC220V，輸出功率為60 W，輸出電壓為6 kV，輸出電流為30 mA，放電穩(wěn)定，點(diǎn)火電極采用陶瓷鎢棒點(diǎn)火棒，安裝在距封閉端底部100 mm 處，耐熱性能良好，兩電極放電間隙為5 mm；火焰圖像采集主要采用由德國La Vision 公司生產(chǎn)的High Speed Star 4G 高速攝像機(jī)，采樣頻率為2 000 s-1，最大分辨率可達(dá)1 024×1 024，放置于管道正前方；壓力采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、壓力傳感器以及配套電腦等構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集卡是由Measurement Computing Corporation 公司生產(chǎn)的USB-1608FS 型數(shù)據(jù)采集卡，信號(hào)采集頻率為15 kHz，壓力傳感器由上海銘動(dòng)公司定制，量程為-100～100 kPa，精度為＜0.25%FS，安裝于管道底部；RL-1 紅外光電傳感器（南京東大測振儀器廠）采集火焰信號(hào)，采樣頻率15 kHz，方向指向點(diǎn)火電極，其作用是利用點(diǎn)火后的光電信號(hào)控制同步器同時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡和高速攝像儀，從而實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)采集和火焰高速攝像的實(shí)時(shí)同步。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig. 1 Illustration of experimental setup

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)粉體均為真空包裝，粉體純度均在99%以上；圖2 為實(shí)驗(yàn)樣品的粒徑分布情況。從圖中可知，鋁粉中位徑分別為17.1 μm (圖2(a))、48.3 μm (圖2(b))；從電鏡掃描結(jié)果可見，本次實(shí)驗(yàn)鋁粉原樣基本呈現(xiàn)為近似球形顆粒，粒徑較小鋁粉表征更加均勻，粒徑跨度較小。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中單次用粉量為2.5 g，噴粉壓力為0.5 MPa，均勻噴散到管道中，噴粉高度為500 mm（管道長度的一半），名義濃度2.5 g/5 L=500 g/m3，化學(xué)當(dāng)量比1.63，點(diǎn)火延遲時(shí)間為400 ms，電極放電時(shí)間為300 ms；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四種阻塞比φ=(S管道-S泄爆口)/S管道法蘭盤，安裝于爆炸管道開口端，對(duì)應(yīng)的阻塞比分別為0.2、0.4、0.6、0.8。

圖2 實(shí)驗(yàn)鋁粉表征測試結(jié)果Fig. 2 Test results of aluminum powder surface characteristics

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰前鋒演化分析

從點(diǎn)火初期到火焰在管道中傳播后期的鋁粉粉塵爆炸過程如圖3～4 所示（圖像左端為底部，右端為泄爆口）。文獻(xiàn)[10, 20]中提到，鋁粉塵云爆炸存在三個(gè)階段，即未燃區(qū)、預(yù)熱區(qū)和燃燒區(qū)。首先觀察圖3，鋁粉塵被點(diǎn)燃后，以一個(gè)呈黃色的燃燒區(qū)為中心向四周擴(kuò)散開來，初期呈類球狀火焰，對(duì)比各阻塞比條件下的初期火焰形態(tài)，可見形狀并不統(tǒng)一，這是因?yàn)榉垠w初期層流火焰穩(wěn)定性極差，極易受到障礙物以及各種壓力波的影響；接著火焰繼續(xù)發(fā)展，逐漸接觸左右管道壁，此時(shí)由于管壁限制，只剩下上下兩個(gè)火焰鋒面繼續(xù)發(fā)展。在φ=0.2 時(shí)，上火焰鋒面穩(wěn)定，表現(xiàn)較平滑，當(dāng)阻塞比繼續(xù)增加時(shí)，火焰鋒面受到明顯擾動(dòng)，尤其在φ=0.4 之后，火焰鋒面出現(xiàn)明顯內(nèi)凹，且鋒面出現(xiàn)明顯褶皺，火焰?zhèn)鞑ゲ环€(wěn)定性明顯增強(qiáng)；另外，可以觀察到在各個(gè)阻塞比條件下，當(dāng)火焰鋒面發(fā)展到后期，火焰前鋒表現(xiàn)糙雜，呈明顯破碎狀，這是由于實(shí)驗(yàn)中所采取的噴粉壓力為0.5 MPa，所達(dá)到的噴粉高度約為500 mm，即為實(shí)驗(yàn)管道的一半高度，故在火焰?zhèn)鞑ズ笃诩丛诠艿篮蟀氩糠謧鞑r(shí)，未燃粉塵量較少，由于缺少未燃粉塵提供熱能以及對(duì)火焰的壓制，火焰鋒面不再穩(wěn)定，加之后期粉塵的進(jìn)一步燃燒，熱能迅速積累，管道內(nèi)部氣流擾動(dòng)加劇，不穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)。

由圖4 可見，鋁粉顆粒較大時(shí)，火焰穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，如初期著火階段(圖3～4 各組中第一張)，呈規(guī)則球形火焰，但從點(diǎn)火到能夠成功著火的時(shí)間明顯延長(13.0 ms＞3.5 ms，13.5 ms＞5.5 ms，11.5 ms＞8.0 ms，20.5 ms＞5.5 ms)，即著火難度明顯增加。這可能是因?yàn)椴煌降匿X粉著火溫度不同，大于20 μm鋁粉著火溫度接近氧化鋁的熔點(diǎn)（～2 300 K），而小于20 μm 鋁粉著火溫度接近鋁的熔點(diǎn)（～930 K）；其次文獻(xiàn)[21]中通過TEM、XRD 以及TG 分析，得到鋁顆粒的氧化層厚度，進(jìn)行表面活化能以及指前因子的計(jì)算，預(yù)估鋁粉的點(diǎn)火延遲，據(jù)此可推斷大顆粒鋁粉能夠形成較厚的氧化膜，反應(yīng)難度增加，導(dǎo)致著火難度增加。在后續(xù)的爆炸發(fā)展過程中，火焰鋒面也表現(xiàn)得十分穩(wěn)定，火焰鋒面平滑，褶皺明顯減少，甚至在φ=0.6，0.8 時(shí)，出現(xiàn)氣體燃燒的平面型火焰[22-23]，原因可能是由于大顆粒粉體本身質(zhì)量較大，具有較大的運(yùn)動(dòng)慣性，不易受到管道內(nèi)部壓力波或者氣體擾動(dòng)的影響。

圖3 D50=17 μm 鋁粉在不同阻塞比條件下火焰前鋒結(jié)構(gòu)Fig. 3 Flame front structure of D50=17 μm aluminum powder at different blocking ratios

圖4 D50=48 μm 鋁粉在不同阻塞比條件下火焰前鋒結(jié)構(gòu)Fig. 4 Flame front structure of D50=48 μm aluminum powder at different blocking ratios

圖5 為不同阻塞比條件下鋁粉爆炸火焰鋒面位置隨時(shí)間函數(shù)變化關(guān)系。從圖中可知，隨著阻塞比的升高，17.1 μm 鋁粉對(duì)應(yīng)的時(shí)間t=37.0，37.5，43.0，47.5 ms，平均速度va（=L管道/t）=27.0，26.7，23.3，21.1 m/s，依次降低；而48.3 μm 鋁粉對(duì)應(yīng)的時(shí)間為92.5、102.5、98.5、104.5 ms，平均速度為10.8、9.5、10.2、9.6 m/s，平均速度較低，且受阻塞率改變無明顯影響。17.1 μm 鋁粉與48.3 μm 鋁粉在不同阻塞比下的實(shí)驗(yàn)平均速度之比在2.20～2.81 之間。研究表明，微米級(jí)鋁粉層流燃燒速度VL與鋁粉粒徑dp之間滿足-0.92 次方冪律關(guān)系[24]，即VL～dp-0.92，所以(VL)17.1μm/(VL)48.3μm=(17.1/48.3)-0.92=2.60，因此鋁粉層流燃燒速度VL是控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩?。另外，圖中曲線變化趨勢明顯分為兩部份（如圖中虛線為界），在管道前半段，曲線變化不大，各阻塞比對(duì)應(yīng)的鋒面運(yùn)動(dòng)曲線趨勢相似，但在傳播到管道后半段時(shí)，整體斜率升高，且隨著阻塞比的增大，曲線斜率增加程度逐漸減小，此現(xiàn)象主要由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)噴粉高度為500 mm，著火初期，粉塵云密度較大，大量未燃粉塵仍處于預(yù)熱期，將吸收部分熱量，管道中整體反應(yīng)進(jìn)行較慢，中后期管內(nèi)熱量得以積累，反應(yīng)加快，鋒面移動(dòng)速率大大增加。

圖5 在不同阻塞比條件下火焰鋒面發(fā)展對(duì)比圖Fig. 5 Comparison of the development of flame fronts at different blocking ratios

2.2 超壓波形分析

圖6 單獨(dú)列出開口管道中鋁粉爆炸的一個(gè)典型超壓曲線（D50=17.1 μm，φ=0.8），并附上其相對(duì)應(yīng)的鋒面位置變化曲線，對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合分析。文獻(xiàn)[25]表明微米級(jí)鋁粉顆粒的燃燒時(shí)間與顆粒粒徑和有效氧化劑濃度呈函數(shù)關(guān)系：

式中：tb為鋁粉顆粒的燃燒時(shí)間，Dp為鋁粉粒徑，Xeff為有效氧化劑濃度，p為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，T0為初始溫度，c為常數(shù)（=7.35×10-6）。粒徑Dp取17.1 μm，Xeff取0.2，p取101.325 kPa，T0取298 K，計(jì)算可得tb=19.3 ms，此值遠(yuǎn)小于火焰在管道中的傳播時(shí)間。從圖中可以看出，當(dāng)火焰鋒面沖出管道后，壓力波形的第一峰值恰好達(dá)到，故此峰值的形成是由于已燃物質(zhì)泄爆后產(chǎn)生，研究表明[26]粉塵爆炸所產(chǎn)生的火焰要滯后于爆炸壓力，圖像的耦合情況較為理想。

圖6 鋒面位置與壓力波形對(duì)照分析圖Fig. 6 Contrast analysis of frontal position and pressure

圖7 鋁顆粒燃燒順序機(jī)制圖Fig. 7 Combustion sequence of aluminum particles

微米級(jí)鋁粉塵燃燒經(jīng)歷緩慢異相氧化、劇烈異相氧化以及氣相火焰燃燒等過程，需要一個(gè)反應(yīng)過程。如圖7 所示，管道中鋁粉塵反應(yīng)順序?yàn)椋?-2-3-4-5-6），Huang 等[27]在研究中發(fā)現(xiàn)微米級(jí)鋁粉與納米級(jí)鋁粉存在不同的燃燒機(jī)制，從圖2 中可清晰觀察到實(shí)驗(yàn)所用粉塵顆粒粒徑實(shí)則是一個(gè)分布范圍，大小鋁粉顆?；旌希☆w粒粉塵會(huì)先進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量，通過熱傳導(dǎo)、熱輻射作用支持較大顆粒鋁粉繼續(xù)反應(yīng)。此外，在火焰鋒面沖出管道發(fā)生泄壓后，管道內(nèi)還有部分未反應(yīng)顆粒鋁粉，繼續(xù)參加反應(yīng)，壓力再次升高，繼而形成第二峰值[28]?？梢妼?duì)于鋁粉爆炸災(zāi)害的防治一定要考慮其燃燒的持續(xù)性。

圖8 中是不同阻塞比條件下不同粒徑鋁粉爆炸超壓波形隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系圖。顯而易見，阻塞比對(duì)鋁粉塵在管道中爆炸的超壓波形有十分重要的影響。經(jīng)過對(duì)圖6 的分析可知，在開口管道中鋁粉塵爆炸超壓呈雙峰波形，當(dāng)爆炸壓力自由泄放時(shí)（φ=0.0），爆炸超壓在第一波峰產(chǎn)生后，由于鋁粉殘余燃燒與泄爆的交互作用，超壓呈振蕩形式上升至第二波峰。顯然，大長徑比狹長空間內(nèi)鋁粉爆炸與小長徑比20 L 球型定容彈(L/D=1)中鋁粉爆炸壓力曲線截然不同[29]。隨著阻塞比的增加，波形發(fā)生明顯變化。最有趣的是，隨著阻塞比的增加，兩個(gè)峰值在整個(gè)反應(yīng)的主導(dǎo)地位也隨之發(fā)生反轉(zhuǎn)。圖9（a）顯示了兩個(gè)波峰值隨著阻塞比增加的函數(shù)變化關(guān)系。對(duì)于小粒徑鋁粉（D50=17.1 μm），當(dāng)φ≤0.4 時(shí)，第二峰值處于反應(yīng)的主導(dǎo)地位，當(dāng)φ＞0.4 時(shí)，第一峰值處于整個(gè)反應(yīng)的主導(dǎo)地位；其次，隨著阻塞比的升高，第一波峰值逐漸升高，且在經(jīng)過φ=0.4 時(shí)產(chǎn)生一個(gè)明確的拐點(diǎn)，經(jīng)過此拐點(diǎn)后斜率明顯提高；而第二波峰值隨著阻塞比升高，呈先升后降的變化趨勢，且在φ=0.4 時(shí)達(dá)到最大超壓峰值。對(duì)于大粒徑鋁粉（D50=48.3 μm），如圖9(b),第一峰值與第二峰值曲線的變化趨勢與小粒徑鋁粉類似，但第一波峰值拐點(diǎn)和第二波峰值的頂點(diǎn)均出現(xiàn)在φ=0.6，且除了在φ=0.6，其余阻塞比條件下均是第一波峰值占主導(dǎo)。可見，鋁粉粒徑對(duì)爆炸波形有明顯影響。

圖8 各阻塞比條件下超壓波形圖Fig. 8 Overpressure waveform at different blocking ratios

圖9 D50=17.1 μm 和D50=48.3 μm 鋁粉在各阻塞比條件下波峰值比較Fig. 9 Comparison of peak values of D50=17.1 μm and D50=48.3 μm aluminum powder at different blocking ratios

圖10 為阻塞比對(duì)管道中鋁粉爆炸影響機(jī)制示意圖。經(jīng)過分析可得，在阻塞比較小(φ≤0.4)時(shí)，管道泄爆口處有較大的泄爆面積，小粒徑粉塵（D50=17.1 μm）爆炸初期管道內(nèi)壓力不易積累，泄爆較快，粉體本身所受的沖擊力較小，在火焰沖出管道時(shí)所帶出的未燃粉體量較小，為第二峰值提供足夠的剩余粉塵量，有利于第二次爆炸壓力的積累，最終造成的結(jié)果是第一峰值較小，而第二峰值偏大；而在阻塞比加大到一定程度，即（φ＞0.4），泄爆面積偏小，爆炸前期管道內(nèi)超壓就可以得到足夠的積累，其次由于法蘭盤的阻擋作用，管道內(nèi)部粉體受到一系列反射波的影響，使內(nèi)部氣流紊流度會(huì)明顯增加，這樣也會(huì)大大促進(jìn)粉塵的反應(yīng)速率，在爆炸前期就可以發(fā)生較徹底的反應(yīng)，其次由于氣流的噴射作用，帶出管道外部的粉塵量也增加，造成的結(jié)果就是在火焰到達(dá)出口發(fā)生泄壓后，管道里殘存的鋁粉量反應(yīng)后不足以產(chǎn)生較第一峰值更加有威脅的超壓。當(dāng)顆粒粒徑變大（D50=48.3 μm）時(shí)，由于自身反應(yīng)效率以及重力等因素的影響，管道內(nèi)部壓力發(fā)展受阻，第一波峰值拐點(diǎn)以及第二波峰超壓頂點(diǎn)出現(xiàn)延遲，均出現(xiàn)在φ=0.6，與小粒徑粉塵結(jié)果表現(xiàn)不同。

圖10 阻塞比對(duì)反應(yīng)進(jìn)行影響機(jī)制圖Fig. 10 Illustration of block ratio effect's mechanism

總之，從超壓的角度考慮鋁粉塵防爆問題，不僅僅要考慮爆炸前期的抑制，更要考慮到鋁粉爆炸后期反應(yīng)同樣會(huì)造成嚴(yán)重的危害，抑爆方式的選擇同樣要有一定的持續(xù)性，并且對(duì)于粉塵的防治要充分考慮粒徑這一影響因素，對(duì)防爆泄壓裝置進(jìn)行合理優(yōu)化安裝，以在保證安全的前提下，節(jié)省資源。

2.3 最大超壓峰值分析

圖11（a）和（b）中分別是鋁粉爆炸最大超壓隨阻塞比變化的柱形分布圖。從柱狀圖中可知，中位徑為17.1 μm 時(shí)，隨著阻塞比的增加，最大超壓值依次為20.1、21.7、25.9、26.5、34.4 kPa，較阻塞比φ=0.0 來講，壓力漲幅依次為8.0%、19.4%、23.0%、29.8%；中位徑為48.3 μm 對(duì)應(yīng)的最大超壓依次為3.44、3.67、4.68、6.20、9.94 kPa，壓力漲幅依次為6.7%、27.5%、32.5%、60.3%；很明顯，各粒徑條件下，最大超壓隨著阻塞比的增加而升高，并且從漲幅數(shù)據(jù)中還可發(fā)現(xiàn)無論粒徑大小，均在阻塞比φ=0.8 時(shí)最大超壓值迅速升高，因?yàn)殡S著阻塞比的增加，泄爆口面積逐漸縮小，管道內(nèi)能量釋放的難度相應(yīng)的逐漸加大，最終造成壓力地不斷升高。逐漸加大，最終造成壓力地不斷升高。

圖11 最大超壓柱形分布圖和最大超壓上升率趨勢圖Fig. 11 Maximum overpressure and rate of maximum overpressure rise

兩種粒徑鋁粉最大超壓之比(Pmax)17.1μm/(Pmax)48.3μm在3.46～5.91 之間變化，且隨著阻塞比降低，比值增加。Li 等[4]和Castellanos 等[30]在20 L 球型定容彈內(nèi)的研究結(jié)果表明，當(dāng)鋁粉粒徑超過15 μm 時(shí)，超壓峰值與粒徑關(guān)系微弱，甚至隨著粒徑增加，超壓峰值有所增加。但Dufaud 等[31]在20 L 球型定容彈內(nèi)鋁粉爆炸研究表明，超壓峰值與鋁粉表面積有關(guān)，即滿足Pmax～dp-1，故20 L 球中應(yīng)有(Pmax)17.1μm/(Pmax)48.3μm=(17.1/48.3)-1=2.82。比較可以得出，隨著阻塞比降低，泄爆越強(qiáng)，超壓比值越偏離20 L 球?qū)嶒?yàn)結(jié)果，體現(xiàn)了泄爆對(duì)狹長空間內(nèi)鋁粉爆炸的影響。理論上，如果鋁粉反應(yīng)完全，爆炸超壓與粒徑無關(guān)，只取決反應(yīng)材料的總能量：

式中：R為通用氣體常數(shù)，Q為鋁粉燃燒熱，cV為混合物定容比熱。實(shí)際上，鋁粉在爆炸過程中發(fā)生不完全燃燒是普遍現(xiàn)象，小粒徑粉塵擁有更大的比表面積，反應(yīng)更為迅速，燃燒時(shí)間更短，熱損失越?。活w粒之間距離lp與顆粒粒徑dp之間滿足：

顆粒粒徑dp越小，顆粒之間距離lp越小，有利于著火鋁粉顆粒向未燃鋁粉顆粒傳熱，加快火焰?zhèn)鞑ァＡ硗?，在泄爆產(chǎn)生的湍流流場中，大顆粒發(fā)生熄滅的概率更高。故相同條件下，小顆粒燃燒效率更高，釋放的能量更多，超壓更高。所以，在同一阻塞比條件下，較小粒徑鋁粉塵爆炸超壓明顯高于大粒徑鋁粉塵，故細(xì)粉塵擁有更高的危險(xiǎn)性，在日常生產(chǎn)中要盡量避免細(xì)粉塵的產(chǎn)生與積累。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為自由泄放，在后續(xù)的研究中將增加具有一定的靜態(tài)動(dòng)作壓力的泄爆膜進(jìn)行研究，為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供更加精細(xì)準(zhǔn)確的理論參考。

3 結(jié) 論

（1）泄爆口阻塞比對(duì)豎直開口管道中鋁粉塵爆炸火焰鋒面結(jié)構(gòu)有重要影響。由于小粒徑鋁粉質(zhì)量較小，運(yùn)動(dòng)慣性較小，隨著阻塞比的增大，火焰鋒面擾動(dòng)更加明顯，且火焰鋒面向泄爆端傳播的時(shí)間逐漸加長，較小粒徑鋁粉的火焰?zhèn)鞑r(shí)間增加較顯著；小顆粒鋁粉火焰鋒面?zhèn)鞑テ骄俣仁茏枞雀淖冇绊戄^大，大顆粒鋁粉表現(xiàn)較穩(wěn)定。

（2）泄爆口阻塞比對(duì)管道中鋁粉塵爆炸超壓有重要影響。爆炸超壓波形存在兩個(gè)主要峰值，第一峰值由泄爆引起，第二峰值由殘余鋁粉燃燒引起，并且隨著阻塞比的改變，管道中反射波的作用改變，第一峰值與第二峰值的主導(dǎo)地位發(fā)生置換，即當(dāng)φ≤0.4 時(shí)，第二峰值處于反應(yīng)的主導(dǎo)地位，當(dāng)φ＞0.4 時(shí)，第一峰值處于整個(gè)反應(yīng)的主導(dǎo)地位；第一波峰值隨阻塞比增加而升高，并以φ=0.4 為拐點(diǎn)斜率大大提升，而第二波峰值隨阻塞比的增加先升后降且在φ=0.4 時(shí)達(dá)到最大；粒徑較大時(shí)，由于自身反應(yīng)效率及所受重力作用，其拐點(diǎn)后推至φ=0.6，波峰值變化趨勢與小粒徑類似，但在主導(dǎo)位置變化上略有不同。

（3）泄爆口阻塞比對(duì)管道中鋁粉塵爆炸超壓峰值有重要影響。隨著阻塞比的增加，管道泄爆難度增加，最大超壓峰值隨阻塞比的增加而增加；在同一阻塞比條件下，較小粒徑鋁粉塵爆炸超壓峰值明顯高于大粒徑鋁粉塵，是由于較小粒徑粉塵擁有較大的反應(yīng)比表面積，更短的燃燒時(shí)間，有利于熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，更容易產(chǎn)生危險(xiǎn)性爆炸超壓。