柔性障礙物對甲烷空氣爆炸波激勵作用的實驗研究*

張延煒，徐景德，胡 洋，田思雨，馮若塵，秦漢圣

（華北科技學院安全工程學院，河北 廊坊 065201）

甲烷是自然界中常見的烷烴類氣體，也是礦井瓦斯的主要成分，其爆炸極限為5%～15%。激勵效應是甲烷爆炸過程中的一個特殊現(xiàn)象，由于礦井巷道中存在大量影響甲烷爆炸傳播的設備，如礦車、液壓支架、風門、風簾、密閉墻等,這些礦井生產(chǎn)必不可少的設備在甲烷爆炸傳播過程中，起到障礙物的作用，產(chǎn)生激勵效應，即導致傳播速度迅速上升，紊流度突然迅猛增加，甲烷燃燒速度加快，導致爆炸沖擊波超壓、速度增大。在其他管狀空間也存在類似現(xiàn)象，掌握甲烷爆炸過程中障礙物的激勵效應對瓦斯爆炸事故預防、抑爆以及事故機理調(diào)查具有重要意義。

近年來很多學者開展了這方面的研究：林柏泉等[1]通過實驗得出障礙物數(shù)量的增加可有效提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒃龃鬀_擊波波形變化幅度；何學秋等[2]結(jié)合高速攝影、紋影系統(tǒng)觀察到障礙物會引起火焰鋒面彎曲度、表面積增大；徐景德等[3-5]結(jié)合理論、實驗、數(shù)值模擬對障礙物產(chǎn)生激勵效應的機理進行了系統(tǒng)的解釋；景國勛等[6]通過實驗發(fā)現(xiàn)，障礙物也會導致含煤塵瓦斯爆炸火焰加速、形狀改變；余明高等[7]通過實驗發(fā)現(xiàn)，交錯布設障礙物與平行布設障礙物相比，可顯著增強火焰形變、傳播速度及爆炸壓力；Wang等[8-9]通過實驗發(fā)現(xiàn)不同角度的平板障礙物對爆炸影響程度有限，此外他們將實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)障礙物之間的瓦斯氣體可發(fā)生局部爆炸；Masri 等[10]研究了不同截面（圓形、三角形、正方形）、不同阻塞率（10%～78%）的障礙物對預混火焰的影響，實驗發(fā)現(xiàn)方形截面障礙物對火焰加速作用最大，圓形的最小，且火焰?zhèn)鞑ニ俣入S阻塞率的增大而增大；Andrze[11]通過在管道內(nèi)周期連續(xù)放置障礙物，發(fā)現(xiàn)激波-火焰相互作用導致火焰失穩(wěn)是火焰加速的主要原因；Bakke 等[12]結(jié)合實驗和數(shù)值模擬研究了樹木對氣體爆炸火焰的影響，發(fā)現(xiàn)火焰加速是由障礙物引起的湍流與火焰相互作用導致。

目前的研究多集中在障礙物形狀、阻塞率、放置方式等因素對管狀空間內(nèi)氣體爆炸的影響，且此類障礙物均有一個共性，即根據(jù)材質(zhì)劃分屬于剛性障礙物，受到?jīng)_擊后，宏觀來看形狀不會發(fā)生變化。在礦井中，礦車、液壓支架等均可看作此類障礙物，這種障礙物產(chǎn)生激勵效應的機理已經(jīng)有了系統(tǒng)的解釋[3-5]。

薄膜在管道中的應用非常廣泛，典型的有激波管的驅(qū)動，但僅是當作工具使用，即將高壓段與低壓段隔開，將其看作氣體爆炸傳播途徑中的障礙物，相關研究還少有涉及。這種膜狀障礙物對正向沖擊具有較強的承壓能力，但抗高溫能力及抗剪切能力較弱，在超過其載荷極限后，會產(chǎn)生永久的破壞，從材質(zhì)劃分屬于柔性障礙物，在礦井中，風門、風簾等均可看作此類障礙物。薄膜100%阻塞率且有一定載荷極限的特性致使其產(chǎn)生激勵效應的機理與剛性障礙物會有很大的不同，而由于這種特性導致無法建立較好的計算流體動力學(computational fluid dynamics, CFD)模型，因此本文中采用實驗方法，探究雙向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene, BOPP）薄膜對甲烷空氣預混氣體爆炸的激勵效應。

1 柔性障礙物激勵效應機理分析

結(jié)合經(jīng)典的“兩波三區(qū)”[5,13]理論，在甲烷爆燃傳播階段，前驅(qū)沖擊波先于火焰與障礙物相遇，此時會有兩種結(jié)果：（1）前驅(qū)沖擊波高溫高壓作用足夠強，致使柔性障礙物直接被破壞；（2）高溫高壓作用不足以破壞障礙物，導致前驅(qū)沖擊波反射，與火焰產(chǎn)生復雜的相互作用。

第1 種情形中，障礙物被破壞可分為形變、破裂兩個過程（整體時間是極短的）。在形變階段，障礙物產(chǎn)生應力，限制前驅(qū)沖擊波傳播，而沖擊波后的化學反應區(qū)持續(xù)提供能量，沖擊波處于一個動能、內(nèi)能積攢的過程（實際是障礙物前氣體的動能、內(nèi)能上升），直至障礙物被高溫高壓作用破壞，沖擊波以更高的速度傳播。

第2 種情形中，柔性障礙物起到反射的作用，致使前驅(qū)沖擊波向火焰?zhèn)鞑?。火焰與未反應氣體之間可看作是不同密度的流體界面[11,14-18]，當反射波作用于該界面時，發(fā)生Richtmyer-Meshkov (RM)不穩(wěn)定；界面擾動形成“泡”和“釘”的結(jié)構(gòu)，進而產(chǎn)生Kelvin-Helmholtz (KH)不穩(wěn)定，促使兩種流體發(fā)生混合，即火焰卷吸未反應氣體；并在湍流作用誘導下，形成湍流火焰，加快化學反應速率，使激波強度提高；激波與火焰多次作用后，激波強度達到第一種情形，破壞障礙物。

障礙物被破壞后，沖擊波帶動未反應氣體高速流動；在伴隨氣流作用下，火焰?zhèn)鞑ニ俣韧辉觯瑢е虑膀?qū)沖擊波增強，形成一種正反饋機制，使火焰持續(xù)加速，導致障礙物前后爆炸壓力、火焰速度產(chǎn)生較大差異。

2 實驗條件

2.1 實驗裝置

實驗裝置為中尺度密閉方形可拆卸爆炸管道，共14 段，如圖1 所示。管道總長度為35 m，截面尺寸為200 mm×200 mm，壁厚為10 mm。沿管道軸線布設壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

壓力傳感器選用PCB 公司ICP 壓電傳感器（型號為111A22），靈敏度為0.145 mV/kPa，諧振頻率高于500 kHz，上升時間小于1 μs；火焰?zhèn)鞲衅饔晒饫w、光電二極管自制而成[19]，核心部件為GT101 系列硅PIN 光電二極管，火焰光信號通過光纖、二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；壓電信號、光電信號通過動態(tài)測試分析系統(tǒng)采集，型號為DH8302，放大器頻響范圍為DC～300 kHz，單道最高連續(xù)采樣速率為1 MHz；點火器由自行研制[20]，原理為利用電容充電，通過外觸發(fā)信號實現(xiàn)對電極放電，電極產(chǎn)生高壓放電火花；整個系統(tǒng)由多通道同步控制器連接，信號發(fā)生器給出標準TTL (transistortransistor logic)信號至同步控制器，實現(xiàn)一個信號控制點火及數(shù)據(jù)采集。

圖 1 實驗管道Fig. 1 Experimental pipeline

2.2 障礙物條件

選擇雙向拉伸聚丙烯 (biaxially oriented polypropylene, BOPP)薄膜為柔性障礙物，BOPP 薄膜阻氣性好，具有一定的抗撕裂能力。將BOPP 薄膜裁剪為圓形裝載至工況對應位置。裝載方法：打開可拆卸管道，將圓形BOPP 薄膜夾在兩管道之間，并靠密封圈及黃油固定以保證氣密性。

2.3 工況設計

實驗工況Ⅰ：前3 節(jié)管道中為甲烷體積分數(shù)為9.5%的甲烷-空氣預混氣體（最佳濃度），后續(xù)管道中均為空氣，空氣與預混氣體用BOPP 薄膜隔開，薄膜距點火端8.54 m，如圖2 所示。模擬礦井巷道某處密閉空間瓦斯積聚并發(fā)生爆炸，破壞作用致使風門或密閉墻被破壞，爆炸傳播至無瓦斯區(qū)域，探究柔性障礙物對甲烷爆炸傳播的影響。沿點火端向管道末端布設傳感器，壓力傳感器依次為P1～P6，火焰?zhèn)鞲衅魑恢迷诠艿垒S線上與壓力傳感器一致，依次為F1～F6，另在20.08 m 處增設一個火焰?zhèn)鞲衅鳎ǜ鶕?jù)以往實驗火焰?zhèn)鞑プ钸h距離所定）。

圖 2 實驗工況Fig. 2 Experimental conditions

實驗工況Ⅱ：在實驗工況Ⅰ的基礎上，于第4 節(jié)與第5 節(jié)管道間增設一道BOPP 薄膜，薄膜間距為2.5 m，探究柔性障礙物數(shù)量對激勵效應的促進作用。

2.4 實驗步驟

（1）根據(jù)道爾頓分壓定律在儲氣罐中預先配置9.5%體積分數(shù)的甲烷空氣預混氣體。

（2）將BOPP 薄膜裝載至工況對應位置，并確保氣密性。

（3）前3 節(jié)管道抽真空，并將預混氣充入管道，直至前3 節(jié)管道內(nèi)甲烷預混氣體初壓為101.325 kPa。

（4）在點火端將變壓器調(diào)至5 kV，通過信號發(fā)生器控制多通道同步控制器實現(xiàn)點火及數(shù)據(jù)采集。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 柔性障礙物對激波火焰的影響

實驗工況Ⅰ下的激波特征參數(shù)如表1 所示，表中參數(shù)均為激波第一次掃過相應傳感器的參數(shù)，激波傳播速度由相鄰傳感器的間距除以激波第一次掃過該相鄰傳感器的時間差所得，膜前傳感器P2膜后傳感器P3不參與激波傳播速度的計算。

表 1 工況Ⅰ下激波特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters for shock wave under experimental condition Ⅰ

由表1 可看出，激波到達傳感器 P2及P3的時刻存在較長時間差，近120 ms，在此時段內(nèi)，激波在可燃氣體中發(fā)生多次復雜的反射過程，結(jié)合膜后傳感器 P3在197.21 ms 測得的激波信號，說明位于8.54 m處的膜片在197.21 ms 前的某一時刻破裂，且該時刻與197.21 ms 十分接近。結(jié)合后續(xù)傳感器數(shù)據(jù)，激波與火焰多次作用后，特征參數(shù)均有較高的上升量，超壓從43.25 kPa 上升至74.43 kPa，增幅為72.09 %；激波傳播速度由396.67 m/s 上升至424.94 m/s，增幅為7.13 %；馬赫數(shù)從1.12 上升至1.23，增幅為9.82%，由于膜片前后流體介質(zhì)的不同，馬赫數(shù)的提升幅度可更直觀地體現(xiàn)激波的變化。破膜后在空氣中傳播的激波則呈衰減趨勢。

工況Ⅰ下的火焰特征參數(shù)如表2 所示，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔上噜弬鞲衅鞯拈g距除以火焰?zhèn)鞑ブ料噜弬鞲衅鞯臅r間差所得。

表 2 工況Ⅰ下的火焰特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters for flame under experimental condition Ⅰ

由表2 可得，火焰在165.11、217.05 ms 時依次傳播經(jīng)傳感器F1、F2，另外由表1 得出破膜時刻與197.21 ms 十分接近，表明在破膜瞬間，火焰?zhèn)鞑ブ羵鞲衅?F1、F2之間，還有近1 m 的預混氣體沒有燃燒，這部分氣體將在膜片破裂后繼續(xù)燃燒。未燃氣體在激波作用下向管道下游運動，火焰速度在疊加未反應氣體的運動速度后，由64.30 m/s 突增至211.03 m/s。若將該過程看作理想狀態(tài)，即超壓70 kPa 的激波以400 m/s 速度在空氣中傳播，波后受擾動氣體流動速度經(jīng)計算后約為135.34 m/s，與實驗中火焰疊加速度較為吻合。結(jié)合后續(xù)傳感器數(shù)據(jù)，火焰速度將持續(xù)增加，且增幅較大，在觀測到的火焰數(shù)據(jù)中，最高速度可達538.96 m/s，是初始火焰的8.4 倍，而在末端傳感器 F7處未發(fā)現(xiàn)火焰，表明在此之前，所有可燃氣體均已燃燒完畢。

為分析激勵效應機理，繪制障礙物前激波、火焰陣面運動軌跡示意圖（見圖3）及傳感器 P1、P2測得的壓力變化曲線（見圖4～5）。將激波首次掃過傳感器P1的時刻稱為a（見圖3～4），掃過傳感器P2的時刻稱為a′（見圖3、5），依次類推。

圖 3 運動軌跡示意圖Fig. 3 Schematics of shock wave and flame front propagation

圖 4 傳感器P1 測得的壓力變化Fig. 4 Pressure-time history measured by pressure sensor P1

圖 5 傳感器P2 測得的壓力變化Fig. 5 Pressure-time history measured by pressure sensor P2

由圖3 可知，經(jīng)障礙物反射后的激波在87.97 ms（b）掃過傳感器P1，之后在點火端壁面反射，105.39 ms（c）再次掃過傳感器P1，而相應的火焰?zhèn)鞲衅髟?65.1 ms 測得火焰信號（見表2），因此可判定，在87.97～105.39 ms 這一時段內(nèi)，火焰與激波先相向相遇，隨后激波經(jīng)點火端反射后追趕火焰并再次與火焰相遇。在激波與火焰相互作用后，傳感器 P1采集到的數(shù)據(jù)（c～d）由原先“突躍-緩降”變?yōu)椤捌鸱欢ā钡男问剑ㄒ妶D4）。

在障礙物被破壞前，激波將在點火端壁面與障礙物間不斷振蕩，并與火焰發(fā)生多次相互作用，激波特征參數(shù)見表3，其中箭頭→表示激波從傳感器P1傳向傳感器P2，←表示激波從傳感器P2傳向傳感器P1。

表 3 實驗工況Ⅰ下激波振蕩部分特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of shock wave oscillation under experimental condition Ⅰ

由表3 可知，在絕對坐標系下，從點火到形成激波穩(wěn)定傳播，波速為396.67 m/s，超壓約為42 kPa，經(jīng)薄膜反射后，激波朝點火端運動，此時激波在已受擾動的流場中傳播，即在非定常流場中，反射波的強度總是要低于入射波的強度[21-22]。結(jié)合后續(xù)激波振蕩特性，可知經(jīng)與火焰相互作用后的激波超壓、速度均會上升。

激波與火焰相互作用的過程十分復雜，相遇過程可視作激波作用于不同密度的流體界面，流體界面一側(cè)為高密度未反應氣體，另一側(cè)為低密度已反應氣體。當激波從高密度區(qū)域進入低密度區(qū)域時，會出現(xiàn)反射、透射，反射波為膨脹波朝相反方向運動，透射波為激波繼續(xù)以原方向運動；當激波從低密度區(qū)進入高密度區(qū)時，反射波、透射波均為激波[16,23]。結(jié)合圖3，經(jīng)障礙物反射的激波在流體界面發(fā)生RM 不穩(wěn)定，形成膨脹波向相反方向運動，即朝障礙物運動，圖4 中b～c 和圖5 中b′～c′均可看到膨脹波的作用（紅色曲線），透射激波繼續(xù)運動與點火端壁面發(fā)生固壁發(fā)射，然后追趕火焰，當激波從已反應氣體與未反應氣體界面穿過時，再次發(fā)生透射與反射，透射激波朝障礙物運動，反射激波朝點火端壁面運動，因此可看到圖4 中c～d 起伏不定的現(xiàn)象，即有一道激波先行掃過，氣體壓力發(fā)生突躍，在第2 道激波再次掃過后，圖像中出現(xiàn)“小的突起”。

隨著反應的進行，激波與火焰的作用次數(shù)增多，RM 不穩(wěn)定引起的反射膨脹波、反射激波的數(shù)量增加，激波由原先的單道強間斷演化為由多道波組成的波系。因此圖像的復雜程度隨之上升，尤其圖5 中d′～f′區(qū)域，單借助傳感器數(shù)據(jù)已無法對這種復雜相互作用全面分析。

由圖4～5 可知，在破膜前超壓已達70 kPa以上。膜片破裂瞬間，火焰在未反應氣體的高速伴流作用下，速度大幅上升，并在破膜后不斷加速。由圖6 可知，在243.7 ms，傳感器 P5測得波系中的一道強激波掃過，壓力接近250 kPa，結(jié)合表2，火焰鋒面在243.7 ms 時到達傳感器F5(P5)，可得知火焰經(jīng)加速后已逐漸逼近前驅(qū)沖擊波。當火焰鋒面與激波陣面間距縮小時，無需消耗過多的能量于管壁熱損失等作用，于是化學反應區(qū)可提供更多的能量支持激波的傳播。因此膜后爆炸壓力大幅上升是由湍流火焰持續(xù)加速，逐漸逼近前驅(qū)沖擊波所致。

圖 6 實驗工況Ⅰ下障礙物后壓力傳感器測得的壓力變化曲線Fig. 6 Pressure-time histories measured by different pressure sensors behind obstacle under experimental condition Ⅰ

3.2 柔性障礙物數(shù)量對激勵效應的影響

工況Ⅱ中，由表4 可知，第2 道膜片前后傳感器測得壓力信號相差時間為25 ms。將工況Ⅰ膜后激波的變化與工況Ⅱ在兩道膜間的變化相比較，發(fā)現(xiàn)趨勢基本一致，工況Ⅱ激波從78.34 kPa 降低至71.78 kPa，導致第2 道膜片不能被直接破壞，而由于下降幅度并不大，在25 ms 內(nèi)，激波經(jīng)與火焰相互作用后，可使激波再次增強至破壞膜片的強度。

表 4 實驗工況Ⅱ下的激波特征參數(shù)Table 4 Shock wave characteristic parameters under experimental condition Ⅱ

激波在與火焰多次作用后，超壓上升至更高的91.41 kPa（見表4、圖7），同時將表5 與表2 對比發(fā)現(xiàn)，當火焰?zhèn)鞑ブ料嗤恢脮r，工況Ⅱ的火焰速度均高于工況Ⅰ，說明這種激勵效應有所增強，而激勵效應的“強弱”，實質(zhì)是由激波火焰相互作用的次數(shù)決定，當增設一道薄膜時，激波與火焰相互作用次數(shù)增多，于是在膜后相同位置，火焰可達到更高速度，再結(jié)合第2 道膜前后傳感器測得壓力信號的時間差遠低于第1 道膜，可推斷如果膜片的數(shù)量在一定范圍內(nèi)增多，后續(xù)膜片的作用實際則是越來越弱。由圖7可知，經(jīng)湍流火焰持續(xù)加速導致P3～P6傳感器在259.28 ms 后均出現(xiàn)較高的超壓，與圖6 對比，發(fā)現(xiàn)增加薄膜數(shù)量可以使測得高壓的位置提前（工況Ⅰ在距點火端14.79 m 處測得高壓，工況Ⅱ則在12.29 m），出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因也是由于激波火焰作用次數(shù)增多，相比工況Ⅰ，火焰可在更短距離內(nèi)逼近前驅(qū)沖擊波，導致膜后高壓測點前移。

圖 7 實驗工況Ⅱ下壓力傳感器測得的壓力變化曲線Fig. 7 Pressure-time histories measured by different pressure sensors under experimental condition Ⅱ

表 5 實驗工況Ⅱ下的火焰特征參數(shù)Table 5 Flame characteristic parameters under experimental condition Ⅱ

4 結(jié) 論

通過在管道內(nèi)甲烷爆炸傳播路徑上布設雙向拉伸聚丙烯薄膜，測試該薄膜前后激波與火焰特征參數(shù)得出以下結(jié)論：

（1）在爆炸初期激波不夠強時，柔性障礙物可使激波反射朝向火焰運動，在后續(xù)激波與火焰相互作用后可形成一種特殊機制。該機制為柔性障礙物激勵效應的實質(zhì)，即激波使層流火焰發(fā)展為湍流火焰，化學反應速率隨之提升，激波增強，達到破壞膜片的強度；膜片破裂后，火焰在伴流作用下，速度突增；湍流火焰在傳播中可持續(xù)加速，并逐漸逼近前驅(qū)沖擊波，導致爆炸壓力大幅提高。

（2）通過在薄膜位置2.5 m 后增設一道膜片，可使激勵效應增強，但效果是逐漸減弱的，增加薄膜的實質(zhì)是使激波與火焰相互作用的次數(shù)增加，火焰可在更短距離內(nèi)達到較高的傳播速度。

（3）從實驗結(jié)果看，柔性置障條件下，火焰與爆炸波應存在更猛烈的相互作用，即存在更大沖擊波壓力峰值和火焰速度。

由于傳感器測試極限的限制，無法進一步實驗，后續(xù)將在傳感器測試的基礎上，增加高速攝影、激光紋影等光測技術，從流場結(jié)構(gòu)演化分析，進一步探究這種復雜的激勵效應。